УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2009, том 129, № 5, с. 440-453
УДК 577.152:591.15/ 612.128
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ АНТИОКСИДАНТНЫХ ФЕРМЕНТОВ. ГЕНЕТИЧЕСКИ ОБУСЛОВЛЕННЫЙ ДЕФИЦИТ ФЕРМЕНТОВ АНТИОКИСЛИТЕЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ
© 2009 г. Э. А. Ефимцева, Т. И. Челпанова
Институт физиологии Коми научного центра УрО РАН, Сыктывкар
Представлены современные данные о генетической регуляции активности ферментов антиок-сидантной системы в организме человека и животных. Приводятся сведения об изоферментном составе антиоксидантных ферментов, тканевой локализации и физиологической роли отдельных изоформ. Обсуждаются возможные функциональные расстройства, связанные с генетически обусловленной ферментной недостаточностью.
ВВЕДЕНИЕ
Биологическая роль антиоксидантной системы (АОС) в организме связана с защитой генома, мембран и энзимов от активных форм кислорода (АФК), свободных радикалов и других продуктов, образующихся при свободнорадикальном окислении. Имеются многочисленные данные о нарушении метаболических процессов в клетках тканей вследствие активизации этого процесса, при этом тяжесть патологического состояния зависит от степени дисбаланса между оксидативными процессами и эффективностью функционирования антиоксидантной защиты [1, 5].
В норме свободнорадикальный процесс окисления поддерживается на относительно низком и оптимальном для организма уровне, что обеспечивается как низкомолекулярными антиоксидан-тами - ретинолом, каротиноидами, токоферолом, аскорбиновой кислотой, глутатионом, трансфер-рином и другими экзо- и эндогенными соединениями неферментного звена АОС, так и антиок-сидантными ферментами, основными из которых являются супероксиддисмутаза (СОД, SOD), глу-татионредуктаза (ГР, GR), глутатионпероксидаза (ГП, GP), каталаза (КАТ, CAT) [3].
Активность антиоксидантных ферментов в тканях и органах зависит от многих причин: состояния организма и различных физиологических стимулов, возраста и пола, действия стрессорных внешних воздействий и внутренних факторов, диетических компонентов пищи, образа жизни [1, 2, 5]. В норме уровень удельной активности антиокислительных ферментов и их изоформ в раз-
личных клетках и тканях организма генетически запрограммирован. Однако вследствие изменений в генетическом коде синтеза ферментов - ошибок в структуре ДНК-гена, кодирующего первичный дефектный белок, из-за декомпенсаций процессов биосинтеза, которые могут быть напряженными из-за малой "дозы гена" при гетерозиготно сти организма, из-за мутации(й), проявляющейся в других локусах, например, в факторах транскрипции, регулирующих экспрессию структурного гена (ответственного за проявление фермента), ферментная активность в одних случаях может отсутствовать, в других - быть сниженной, реже - повышенной [6]. Мутации, приводящие к изменению уровней экспрессии генов, нарушают функционирование биохимических систем, что приводит к развитию соответствующих патологических состояний организма. Генетически обусловленная недостаточность активности антиок-сидантных ферментов способствует аккумуляции реактивных продуктов свободнорадикальных реакций, что вызывает некомпенсированный окислительный стресс, проявляющийся на молекулярном, клеточном и организменном уровне [107].
Информация о генетических предпосылках дефицита антиоксидантной системы имеет научно-практическое значение, что и определяет интерес исследователей к этой проблеме. В настоящей работе приводится обзор современных знаний о генетической регуляции активности основных антиоксидантных ферментов и функциональных последствиях их генетически обусловленной недостаточности.
ИЗОФОРМЫ: ЛОКАЛИЗАЦИЯ, ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ РОЛЬ
Многие ферментные белки, в том числе и ан-тиоксидантные ферменты, представлены в тканях организма в виде специализированных изоформ (изоферментов), которые находятся под самостоятельным генетическим контролем, обладают субклеточной и тканевой специфичностью. Изо-ферментные спектры являются ценными индикаторами физиологического или патологического состояния организма. Отдельные изоформы или их спектр определяют тканеспецифические особенности метаболизма, аллельные варианты изо-форм являются маркерами адаптивных реакций популяций к окружающей среде [4, 6-8]. Генетическая регуляция антиоксидантных ферментов посредством многообразия молекулярных форм обеспечивает локальные антиокислительные эн-зиматические пулы, которые способствуют более оперативному сдерживанию свободнорадикаль-ных процессов в определенных тканях организма.
Супероксиддисмутаза (КФ 1.15.1.1, супероксид: супероксид-оксидоредуктаза) - основной ан-тиоксидантный фермент, регулирующий уровень супероксидных анион-радикалов кислорода - О^'. Фермент осуществляет рекомбинацию радикалов О-* с образованием менее реакционноспособных молекул пероксида водорода (H2O2) и триплетно-го кислорода. Анион-радикал кислорода может окисляться и восстановливаться, превращаться в реакционноспособные синглетный кислород и гидроксильный радикал, который является наиболее мощным инициатором перекисного окисления липидов (ПОЛ). Фермент обнаруживается почти во всех тканях организма млекопитающих, его физиологическую роль связывают с участием в клеточной дифференциации, регуляции проницаемости мембран, передаче нервного импульса, пиноцитозе, фагоцитозе, сперматогенезе и других жизненно важных процессах [43, 86, 108].
Гены SOD экспрессируются в клетках эукари-от в виде трех изоферментов, различающихся по физико-химическим свойствам, субклеточной и тканевой локализации. Растворимый изофермент (Cu, Zn-СОД, SOD1) с молекулярной массой около 32 кДа содержит по 2 атома меди (Cu) и цинка (Zn) на димерную молекулу белка [43]. Этот изо-зим локализован преимущественно в цитоплазме клеток, но некоторая активность обнаруживается в лизосомах, пероксисомах, ядре и межмембранном компартменте митохондрий [81].
Митохондриальный изофермент (Mn-СОД, SOD2) с молекулярной массой 79 кДа, выделен
из матрикса митохондрий и содержит в молекуле марганец [117]. Считают, что SOD2, кроме митохондрий, содержится и в ядре [88]. Этот тетрамерный изофермент в отличие от SOD1 является чувствительным к кислотности среды; его активность уменьшается с увеличением рН [81]. Оба эти изофермента в различных соотношениях, без четких положительных или отрицательных корреляций между пулами активности обнаруживаются во многих тканях организма человека и животных: печени, почках, кишечнике, сердце, легких, скелетных мышцах, поджелудочной железе и других органах [86]. Полагают, что генные промоторы SOD1 и SOD2 имеют участки связывания для рецепторов глюкокортикоидов и прогестерона, поэтому гормоны, в частности прогестерон, могут регулировать экспрессию генов обеих изоформ у человека. Кроме того, в промоторных областях генов имеются участки для связывания других факторов, что предполагает сложные молекулярные механизмы модуляции экспрессии конститутивного гена SOD1 и зависящего от клеточного редокс-статуса и способного индуцироваться (например, при действии АФК) гена SOD2 [74, 75, 119].
Фермент, выделенный из плазмы крови, отнесен к новому типу - экстрацеллюлярной СОД (СОД3, SOD3) [86]. Этот изофермент синтезируется в клетках гладкой мускулатуры сосудов, является по структурной и химической организации го-мотетрамерным гликопротеином с молекулярной массой 135 кДа и отличается по своим свойствам от первых двух изоформ. Cu,Zn-SOD3 обнаруживается не только в плазме, где этот изофермент преобладает по количеству над всеми изоформами СОД, но и в других биологических жидкостях организма: пищеварительных секретах, синовиальной жидкости и моче [110]. Экстрацеллюлярный изофермент выявляют и в тканях (легкие, семенники и ткани прочих органов), при этом полагают, что слабо гидрофобные молекулы SOD3 связаны с клеточными мембранами [83, 86]. Очень низкая экспрессия гена SOD3 в печени, мозге, сердце, где основными антиоксидантами являются уже SOD1, SOD2, ГП и другие ферменты защиты против окислительного стресса [86, 116]. Физиологическая роль этого изофермента заключается в защите от АФК внеклеточного пространства, где имеется множество потенциальных источников супероксидных анионов и других кислородных радикалов: лейкоциты при их активации [57], кла-стогенные факторы в плазме при аутоиммунных и других заболеваниях, реперфузия после периода ишемии [49]. Внеклеточная СОД, локализованная на поверхности клеток эндотелия сосудов через
связь с гепарансульфат протеогликаном, находится в состоянии равновесия с аналогичной изофор-мой в плазме [72]. Эта изоформа устраняет супероксидные анионы, регулируя биодоступность эндотелиального релаксирующего фактора оксида азота (NO), снижение синтеза или доступности которого рассматривается в качестве ведущего механизма развития эндотелиальной дисфункции [9, 46, 65]. Кроме того, она элиминирует радикалы кислорода из NADPH-зависимых окислительных систем нейтрофилов [72]. От общей супероксид-дисмутазной активности в организме на долю SOD3 приходится от 18 до 48% активности [39], причем уровень экспрессии этого гена у разных видов животных заметно различается [86].
Каталаза (КФ 1.11.1.6, Н202-оксидоредуктаза) способствует инактивации Н2О2, образующегося в реакции дисмутации О-' под действием СОД, при этом КАТ и СОД часто "работают" сопряжено и их активность в определенных ситуациях изменяется однонаправленно, чаще в сторону повышения, эффективно снижая таким образом количество свободных радикалов и продуктов ПОЛ [34, 108]. Полагают, что низкие концентрации Н2О2 модулируют некоторые физиологические процессы: апоптоз, метаболизм углеводов, активацию тромбоцитов, клеточную пролиферацию. Кроме того, Н2О2 продуцируется белыми клетками крови для защиты организма от бактерий. Нарушения антиокислительной защиты, в которой участвуют СОД и особенно КАТ, могут приводить к повышению внутриклеточного уровня Н2О2, выступающего при высоких концентрациях уже в роли высокотоксичного клеточного агента [52].
Молекула КАТ является тетрамером, состоящим из четырех полипептидных цепей, каждый мономер в активном центре содержит гемовую группу и состоит из более чем 500 аминокисло
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.