БИОХИМИЯ, 2015, том 80, вып. 9, с. 1440 - 1455
- ГИПОТЕЗЫ
УДК 577.152.1
ЧЕТЫРЕ КОМПОНЕНТА СОПРЯЖЕННОЙ РЕДОКС-СИСТЕМЫ ОРГАНИЗМА: УГЛЕРОД, АЗОТ, СЕРА, КИСЛОРОД*
Обзор
© 2015 Е.В. Терешина**, В.Н. Ласкавый, С.И. Иваненко
Международная медицинская помощь, 6317Швейцария, Обервилл, Цуг, Фушлох, 6А; электронная почта: winterel@mail.ru
Поступила в редакцию 29.06.15
С1 соединения участвуют во многих метаболических процессах и регуляциях, включая метилирование ДНК. Продукт окисления метильной группы, формальдегид (ФА), обладает высокой цитотоксичностью. В клетке существуют два пути его утилизации — ассимиляция и окисление. ФА проявляет цитотоксичность, поэтому его окисление считается детоксикацией. Чувствительность к пороговой концентрации ФА мы рассматриваем как свидетельство его важной роли в жизнедеятельности биосистемы. Предлагается модель трехкомпонентой сопряженной редокс-системы, в которой путь окисления метильной группы является архаичным и консервативным донором протонов и электронов, восстановление О2 — акцептор, аминогруппа аргинина используется для производства мочевины (акцептор) и оксида азота (донор). Четвертый участник редокс-системы — глутатион, поддерживает редокс-баланс. Трехуровневая система доноров протонов включает окисление метильной группы (первый уровень), окисление ацетата в митохондриях (второй уровень) и катаболизм глюкозы в пентозофосфатном пути (третий уровень). В единое целое всю систему объединяют сульфгидрильные группы цистеинов глутатиона, тиоредоксина и а-липоевой кислоты. Регуляторная роль в этой системе принадлежит глутатион-зависимой формальдегиддегидрогеназе, которая контролирует связывание ФА с тетрагидрофолиевой кислотой, метилирование аргинина и денитрозирование сульфгидрильных групп. Сопряженная редокс-система сформировалась в процессе эволюции как объединение редокс-цик-лов углерода, азота, кислорода и серы.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: редокс-система, формальдегид, аргинин, перекись водорода, сульфгидрильные группы, регуляция.
СОПРЯЖЕННАЯ РЕДОКС-СИСТЕМА
Активные формы кислорода (АФК) — высокореактивные соединения, вызывающие окислительное повреждение биомолекул. В процессе
Принятые сокращения: АДГ — алькогольдегидроге-наза, АЛК — а-липоевая кислота, ДГАК — дигидроацетон-киназа, ДГАЛК-дигидроальфалипоевая кислота, ДГФК — дигидрофолиевая кислота, ММО — метановая моноокси-геназа, ПФП — пентозофосфатный путь, СОД — суперок-сиддисмутаза, ТГФК — тетрагидрофолиевая кислота, ТГМП — тетрагидрометаноптерин, ФА — формальдегид, ФДГ — формиатдегидрогеназа, ФЛД — формальдегидде-гидрогеназа, ЭТЦ — электрон-транспортная цепь, ADMA — asymmetric dimethylarginine (асимметричный диметиларги-нин), GSNOR - GSNO reductase (GSNO редуктаза), BH2 -7,8-дигидроптерин, BH4 — тетрагидроптерин, CBR1 — car-bonyl reductase (карбонилредуктаза 1), NOHA — ^G-hydroxy-L-arginine (^-гидрокси-Ь-аргинин).
* Первоначально английский вариант рукописи был опубликован на сайте «Biochemistry» (Moscow), Papers in Press, BM 15-193, 02.08.2015. ** Адресат для корреспонденции.
старения происходит не только аккумуляция окисленных продуктов, но и усиление образования АФК, что получило название «оксидатив-ный стресс» (ОС). ОС развивается, в частности, при системных возраст-ассоциированных патологиях, таких как атеросклероз. Массовое образование АФК свидетельствует о нарушении балансов в распределении электронов и протонов, в которых кислород играет роль основного акцептора. Донорами электронов являются переходные металлы, а протонов — восстановленные соединения углерода, азота, серы. Суть нашей гипотезы состоит в том, что доноры и акцепторы объединены в сопряженную редокс-систему. Она обеспечивает стационарность распределения протонов и электронов в клетке, поддерживает жизнедеятельность биосистемы, влияет на время ее жизни. У СаепогНаЬйШв е^апэ, например, небольшое повышение содержания АФК в митохондрии увеличивает, а в цитоплазме, напротив, снижает продолжительность жизни [1]. Сопряженная редокс-система создавалась эво-
люционно как объединение редокс-циклов четырех атомов — углерода, азота, серы и кислорода. В статье предлагается модель организации такой системы и ее функционирование (рис. 1).
МЕТИЛЬНАЯ ГРУППА -ИСТОЧНИК ФОРМАЛЬДЕГИДА
Метильная группа относится к С1 соединениям (метан, метильная группа, метанол, формальдегид, муравьиная кислота, углекислый газ). Самые разнообразные биосинтезы и множество регуляций метаболических процессов идут с их участием. Среди основных: синтез пуринов и тимидина, пантотеновой кислоты, хлорофилла и гема, метаболизм аминокислот и биогенных аминов, биогенез митохондрий и хло-ропластов [2], непрерывное метилирование— деметилирование ДНК [3].
В большинстве биосистем донорами метиль-ных групп являются метионин, серин и глицин, переносчиками — тетрагидрофолиевая кислота (ТГФК) и 8-аденозил-Ь-метионин [4, 5]. В реакциях деметилирования и трансметилирования часто происходит окисление метильных групп и образуется формальдегид (ФА) [6—8]. Источником ФА является также декарбоксили-рование глиоксилата [9] и окисление ксенобиотиков оксидазами Р-450 [10]. В растениях основной источник ФА — диссоциация 5,10-мети-лен ТГФК и окисление метанола, получаемого при деметилировании пектина [11]. Метанол и ФА считаются эндогенными ядами, поэтому их окисление принято относить к системе детокси-кации. В то же время продукт окисления ФА (формиат) нетоксичен [12]. У СогупеЬа^епит glutamicum формиат вызывает задержку роста, а содержащая молибден формиатдегидрогеназа (ФДГ) снижает этот эффект [1]. Функции фор-миата хорошо изучены у растений, где он является продуктом распада глиоксилата.
ФА образуется во всех биосистемах: у растений и животных, позвоночных и беспозвоночных, одноклеточных и многоклеточных, бактериях и археях. В большинстве биосистем он находится в связанной форме с эндогенными нук-леофилами, глутатионом и ТГФК [5, 13]. ФА обладает высокой цитотоксичностью, поэтому все организмы продуцируют его в низких концентрациях. Физиологические концентрации ФА в крови человека составляют 0,4—0,6 мкг/моль и моче — 2,8—4,0 мкг/моль [14]. Действие ФА на клетку дозозависимо: в концентрации 10,0 мМ он вызывает некроз опухолевых и эндотелиаль-ных клеток в культуре, в 1,0 мМ — усиление апоптоза и снижение митоза, в дозах 0,5 и 0,1 мМ
увеличивает пролиферацию [15]. Цитотоксич-ность проявляется при превышении некоего порога концентрации свободного ФА. Высокая цитотоксичность и модулирующее действие ФА на процессы пролиферации и апоптоза — свидетельство того, что он может находиться в центральном узле регуляций основных процессов жизнедеятельности биосистемы.
ДРЕВНЕЙШИЕ ДОНОРЫ ПРОТОНОВ
Метаболизм С1 соединений был освоен ме-таногенными и метанотрофными археями на заре эволюции. Метанотрофные бактерии используют метан в качестве единственного источника углерода. Метилотрофные бактерии могут окислять метан, метанол, метилированные амины, галометаны, серусодержащие метилированные соединения и даже метильные
4 -ОМ^ ( МА1
(флд)
(мсз)
ЫАйРМ^ -ЫМз - ОМ2 \е
ЫАйР4 _
ЫАйМ
N0 |
| М202
I | {Орх) |
'[ H20 { I
\ У
ГЛЮКОЗА
ÓNADP^GSМ
NADPМ GSSG
1
002
Рис. 1. Трехкомпонентная сопряженная редокс-система: окисление метильной группы — донор протонов, восстановление молекулярного кислорода — акцептор протонов, аминогруппа — одновременно донор и акцептор. Перенос протонов контролируется четвертым участником — глутатионом, который получает протоны из пентозофосфатного пути
2
группы таких субстратов, как холин. Общая черта всех метано- и метилотрофных бактерий — центральная роль ФА в метаболизме [16]. Метаболизм этих бактерий организован и регулируется так, чтобы скорость утилизации ФА не была лимитирующей, так как его накопление приводит к мгновенной гибели биосистемы [17]. В процессе окисления ФА продуцируются протоны и электроны, необходимые для жизнедеятельности этих бактерий.
Окисление метана происходит поэтапно в цепи «метан—метанол—ФА—формиат—углекислый газ», в результате чего все атомы водорода замещаются атомами кислорода. У всех мети-лотрофов реализуется первая часть пути до ФА, различаются они только по характеру ассимиляции ФА. По этому признаку их объединяют в три группы: в бактериях типа 1 реализуется циклический рибулозо-монофосфатный путь [18, 19], в бактериях типа 2 — линейный сериновый путь [20, 21], в бактериях типа Х — оба метаболических пути. У метилотрофных дрожжей РкЫа раз^пз существует ксилулозомонофосфатный путь ассимиляции ФА [22]. При низких концентрациях метана и высоком содержании О2 успешнее растут бактерии типа 1, при высоких концентрациях метана и низком содержании О2 — бактерии типа 2 [23]. У метанотрофных бактерий найдены две метановые монооксидазы: растворимая (рММО) и мембраносвязанная (мММО). Они — классические монооксигеназы. рММО обнаруживается у метанотрофов типа 2 и Х, она содержит негемовое железо, флавинадениннук-леотид, железо-серные ^е282] кластеры и использует МАБРН, получаемый при окислении ФА и формиата, в качестве донора электронов [24]. У этих бактерий надо сначала окислить ФА, чтобы началось окисление метана. мММО экспрессируется при наличии в среде достаточного количества меди (0,85—1 ммоль/г), так как медь индуцирует синтез внутриклеточных мембран. Возможно, сам фермент имеет медь в своем составе [25]. Когда активирована мММО, клетки растут быстрее, так как не требуется количество МАОРН, лимитированное окислением ФА [26]. Однако рММО обладает большей субстратной специфичностью, чем другие оксигеназы.
У грамотрицательных метанотрофов метанол как продукт ММО или как экзогенный субстрат окисляется до ФА периплазматической метанолдегидрогеназой [27]. Этот фермент — тетрамер, каждая субъединица которого содержит два моля пирролхинолин хинона и 1 моль Са2+. Специфический акцептор электронов — цитохром еЬ [28]. У грамположительных метанотрофов метанол окисляется метанолдегидро-геназой, использующей МАО+ в качестве акцеп-
тора электронов [29]. У метилотрофов МАОР+-связанная альдегиддегидрогеназа, которая либо использует, либо нет глутатион, окисляет ФА до формиата, а форм
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.