БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ, 2012, том 29, № 1-2, с. 21-37
= ОБЗОРЫ =
УДК 57.053
ПЕРОКСИД ВОДОРОДА КАК НОВЫЙ ВТОРИЧНЫЙ ПОСРЕДНИК © 2012 г. В. А. Ткачук1, П. А. Тюрин-Кузьмин1, В. В. Белоусов2, А. В. Воротников1*
1Факультет фундаментальной медицины Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва 119192, Ломоносовский проспект, 31, корп. 5; *электронная почта: vorotnikov@fbm.msu.ru 2Институт биоорганической химии им. акад. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, Москва 117997, ул. Миклухо-Маклая, 16/10 Поступила в редакцию 10.10.2011 г.
В обзоре приведены существущие доказательства того, что имеющая простую структуру молекула пероксида водорода удовлетворяет большинству сформулированных к настоящему времени критериев, предъявляемых к вторичным посредникам. Пероксид водорода накапливается и метаболизи-рует в клетках, его уровень изменяется в ответ на активацию поверхностных рецепторов. Он действует внутри клеток на сигнальные белки, используя особый механизм и вызывая такие реакции клеток, как миграция и пролиферация. Неясным остается, где и в какой момент образуется перок-сид водорода, в какой области клетки он локализован, и какие сигнальные пути контролирует.
Ключевые слова: внутриклеточная сигнализация, вторичный посредник, МЛВРЫ-оксидаза, пероксид водорода, клеточная подвижность, пролиферация.
ВВЕДЕНИЕ
Значительная часть информации поступает в клетки из окружающей среды путем связывания различных лигандов (первичных посредников) со своими рецепторами на плазматической мембране. Активированные таким образом рецепторы запускают внутри клетки сигнальные каскады, вызывающие разнообразные клеточные ответы. Эти реакции могут быть быстрыми и кратковременными, такими как секреция и сокращение, или существенно более длительными, такими как движение, пролиферация или апоптоз. Характерной чертой многих рецепторов является использование для передачи сигнала вторичных посредников — специальных молекул, сопрягающих мембранные рецепторы с сигнальными каскадами, расположенными в цитозоле [1]. Другие ре-
Сокращения: АФК, активные формы кислорода; СОД — су-пероксиддисмутаза; NADPH — восстановленный никоти-намидадениндинуклеотидфосфат; FAD — флавинаденин-динуклеотид; Akt/PKB — протеинкиназа В, известная также как Akt; DPI — дифенилениодониум; DUOX — оксидаза с двойной активностью (dual oxidase); EGF — эпидермаль-ный фактор роста; GSH — глутатион; NAC — N-ацетилци-стеин; NOX — NADPH-оксидазный комплекс; NoxA — активатор NADPH-оксидазного комплекса (NOX Activator); NoxO — организатор NADPH-оксидазного комплекса (NOX Organizer); PDGF — тромбоцитарный фактор роста; PI3-киназа — фосфатидилинозитол-3'-киназа; PIP2 — фос-фатидилинозитол-(4,5)-бисфосфат; PIP2 — фосфатидил-инозитол-(3,4,5)-трисфосфат; Prx — пероксиредоксин; PTEN — фосфатидилинозитол-3'-фосфатаза (phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome ten); PTP-1B — фосфотирозинфосфатаза 1В; RTK — тирозинкиназный рецептор; Trx — тиоредоксин.
цепторы используют для передачи сигнала физические белок-белковые взаимодействия и разнообразные адапторные белки [2]. Однако, как показывают результаты последних исследований, они также часто используют вторичных посредников на отдельных этапах передачи информации.
Согласно классическому определению, вторичные посредники — это низкомолекулярные вещества, которые не являются белками, образуются и действуют внутри клеток, и обеспечивают передачу сигнала от рецептора к мишеням в клетке. Вторичные посредники синтезируются de novo или хранятся во внутриклеточных депо, выходя в цитоплазму при активации рецепторов. Концепция вторичных посредников была заложена более 50 лет назад Тедом Роллом и Эрлом Сазерлендом, которые описали термостабильный фактор, опосредующий действие глюкагона и адреналина на метаболизм гликогена в клетках печени [3]. Это эпохальное открытие и сам фактор, позже определенный как циклический АМР (cAMP), принесли Эрлу Сазерленду Нобелевскую премию за 1971 г. [4]. С тех пор в клетках найдено несколько молекул, классифицированных как типичные вторичные посредники на основании ряда критериев, сформулированных Э. Сазерлендом 40 лет назад:
1) вторичный посредник действует внутри клетки;
2) в клетке должен существовать механизм синтеза и метаболизма вторичного посредника;
3) вторичный посредник должен имитировать физиологический эффект рецепторной стимуляции;
4) внутриклеточный уровень вторичного посредника должен изменяться при активации рецепторов;
5) в клетке должны существовать специфические мишени вторичного посредника;
6) антагонисты действия вторичного посредника должны блокировать эффект активации рецептора.
Эти критерии и по настоящее время остаются определяющими при рассмотрении новых кандидатов в число вторичных посредников [4, 5]. С тех пор критерии были уточнены и дополнены еще несколькими:
1) в неактивированной клетке концентрация вторичного посредника низкая;
2) вторичный посредник значительно усиливает первичный сигнал;
3) вторичный посредник компартментализован в клетке, что направляет и ограничивает сигнал.
Всем перечисленным критериям на сегодняшний день удовлетворяет лишь небольшое число соединений. Выделяют четыре класса общепризнанных вторичных посредников:
— мембранные липиды и их производные (фосфоинозитиды, диацилглицерин);
— циклические нуклеотиды (сАМР, cGMP);
— ионы (Са2+);
— газы (N0, СО).
В передаче внутриклеточных сигнальных каскадов принимает участие еще много других низкомолекулярных соединений, которые пока не удовлетворяют одному или нескольким критериям. В данном обзоре будет рассмотрен новый претендент на роль вторичного посредника — перок-сид водорода (Н2О2).
ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЙ Н2О2
Н2О2 — это одна из активных форм кислорода (АФК), к которым относятся химически активные молекулы, образующиеся при неполном восстановлении молекулярного кислорода, в том числе радикалы кислорода и пероксиды. АФК очень реакционноспособны из-за наличия свободных валентностей, образованных неспарен-ными электронами, либо слабой связи между атомами кислорода, которая может разрываться с образованием радикалов. АФК, а вместе с ними и Н2О2, традиционно рассматривались как нежелательные побочные продукты аэробного дыхания, вызывающие окислительный стресс (рис. 1). Окислительный стресс считается одной из главных причин старения [7], предполагается, что он может играть важную роль в патогенезе болезней
Альцгеймера и Паркинсона, а также шизофрении и атеросклероза. Однако в норме высокая реак-ционноспособность АФК используется клетками иммунной системы для нейтрализации патогенов в воспалительных процессах.
Лишь в конце 90-х годов начали появляться работы о сигнальной функции низких концентраций Н2О2 внутри клетки. Пероксид водорода участвует в регуляции сигнальных ферментов и транскрипционных факторов. Эта молекула играет важную роль в клеточной пролиферации [8, 9], дифференцировке [10], миграции [11] и апоптозе [12] (см. ниже). Совокупность накопленных к настоящему времени данных свидетельствует о том, что Н2О2 удовлетворяет большинству критериев вторичных посредников.
СИНТЕЗ И МЕТАБОЛИЗМ Н2О2 В КЛЕТКЕ
Как и для всех вторичных посредников, в клетках существуют механизмы синтеза и распада Н2О2. Они опосредованы сложными белковыми системами и строго контролируются сигнальными системами клетки и других вторичных посредников.
Разновидности АФК
К группе АФК относятся молекулы и свободные радикалы, образующиеся при неполном восстановлении молекулярного кислорода до воды (рис. 2). Кислород, восстановленный одним электроном, образует супероксид-анион-радикал O2 . Из-за гидрофильности и заряда эта частица не проникает через клеточные мембраны. Молекула
O- нестабильна, она может дисмутировать в кислород и Н2О2 и кислород. Несмотря на высокий восстановительный потенциал (0.9 В), супероксид-анион-радикал из-за своей анионной природы и нестабильности взаимодействует лишь с небольшим числом соединений в клетках.
Вследствие этого вреден не столько сам O- , как продукты его дальнейшего восстановления.
При взаимодействии O- со свободными атомами меди, железа или других переходных металлов образуется высокореакционноспособный гидроксильный радикал OH*. Он также образуется при взаимодействии Н2О2 с ионами Fe2+. Гид-роксил-радикал быстро вступает в реакции с близлежащими молекулами, поэтому имеет очень короткое время жизни внутри клетки и не распространяется далеко от места образования. Он может инициировать радикальные цепные реакции с образованием различных карбоновых пе-роксильных радикалов ROO*, вызывая повреждение липидов и, как следствие, клеточных мембран. В клетке не существует ферментатив-
0.001
[H2O2]
внутри клетки'
мкМ
Рис. 1. Концентрационная шкала внутриклеточных эффектов Н2О2 ([6], с изменениями). В физиологическом диапазоне концентраций (от 1 нМ до 0.1—0.5 мкМ) Н2О2 действует как сигнальная молекула, стимулируя миграцию и пролиферацию клеток. При повышении концентрации до 1—10 мкМ Н2О2 вызывает остановку деления, которое обычно восстанавливается и даже ускоряется в случае успешной адаптации к окислительному стрессу. При высоких концентрациях (>10 мкМ Н2О2) окислительный стресс преобладает, адаптация не срабатывает, клетка уходит в апоптоз. Границы этих реакций относительны и сильно зависят от типа клеток, условий культивирования и неоднородного распределения Н2О2 в клетке, что в принципе делает понятие о средней внутриклеточной концентрации Н2О2 малоприемлемым.
' o ;; o°
+ 1 e-
o:o:-
+ 1 e-
h:o: o:h
+ 1 e-
Молекулярный Супероксид-анион Пероксид кислород O2 радикал O2* водорода H2O2
h:o;h ■ ■
Вода H2O
0 o;h ■ ■
Гидроксил-радикал OH*
:o:h ■ ■
Гидроксил-анион OH-
Рис. 2. Основные представители АФК, образующиеся при пошаговом восстановлении молекулярного кислорода (О2) до воды и продукта ее диссоциации ОН-. Черными точками показаны электронные пары, белыми — неспаренные электроны радикалов. При восстановлении одним электроном О2 превращается в супероксид-анион-радикал 02 , имеющий один неспаренный электрон. 0— способен самопроизвольно дисмутировать в перок
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.