УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2014, том 45, № 2, с. 37-48
УДК 612.744.2
НЕЙРОНАЛЬНАЯ ^-СИНТАЗА - МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ГАРАНТ СТАБИЛЬНОСТИ МЫШЕЧНОГО ВОЛОКНА. ^-ЗАВИСИМЫЕ СИГНАЛЬНЫЕ ПУТИ В АКТИВНОЙ И РАЗГРУЖЕННОЙ МЫШЦЕ
© 2014 г. Б. С. Шенкман, Ю. Н. Ломоносова, Т. Л. Немировская
ГНЦ РФ Институт медико-биологических проблем РАН, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, факультет фундаментальной медицины
Обзор посвящен сигнальным механизмам, запускаемым оксидом азота II в скелетной мышце при различных уровнях сократительной активности скелетной мышцы. Анализ современной литературы показывает, что при физических нагрузках различной интенсивности и направленности оксид азота является незаменимым триггером сигнальных процессов, приводящих к изменению структурно-метаболического профиля волокна и повышению его функциональных возможностей. В то же время, NO при повышенной сократительной активности мышцы, в частности при эксцентрическом сокращении, может выполнять и защитную, стабилизационную функцию, не допуская интенсификации протеолитических реакций. Результаты экспериментов с модуляцией активности nNO-синтазы на фоне функциональной (гравитационной) разгрузки свидетельствуют о том, что активация этого фермента и в этом случае позволяет стабилизировать деструктивные процессы и предотвратить развитие инактивационной атрофии мышц.
Ключевые слова: скелетная мышца, сократительная активность, физические нагрузки, эксцентрические сокращения, оксид азота II, нейрональная NO синтаза, сигнальные пути, синтез и распад белка, функциональная разгрузка.
Регуляторные механизмы, запускаемые продукцией оксида азота II (N0), занимают центральное место в современных представлениях о физиологических процессах как на уровне целого организма, так и на тканевом, клеточном и молекулярном уровнях. В литературе имеется достаточно много данных и о функциональной роли N0 в скелетной мышце. Так, известно, что относительно высокая концентрация оксида азота приводит к снижению одиночного сократительного ответа мышечного волокна, а также к снижению кальциевой чувствительности миофибриллярного аппарата [38, 97]. Вместе с другими свободными радикалами N0 участвует в некоторых деградационных и апопто-тических процессах [20, 100]. В последние годы накопились данные о протективной, корригирующей и стимулирующей роли N0 в общем сигнальном оркестре функционирующего мышечного волокна. В настоящем обзоре будет рассмотрена роль N0 и продуцирующей его N0-синтазы в анаболических и катаболических сигнальных процессах в условиях повышенной и пониженной сократительной активности скелетной мышцы.
Оксид азота взаимодействует с компонентами клетки по трем основным механизмам. Во-первых,
N0 реагирует с молекулярным кислородом и супероксид-анионами, при этом образуется ряд низкомолекулярных производных N0 (К0х), которые сохраняют окислительно-восстановительную активность и могут участвовать в реакциях переноса электронов [98]. Реакция между N0 и супероксид-анионами приводит к образованию пероксинитри-тов, которые являются наиболее реакционноспо-собными свободнорадикальными молекулами в биологических системах и являются распространенными индикаторами окислительного стресса [30]. Скелетная мышца постоянно производит как N0, так и супероксид-анионы. Поэтому образование в мышце пероксинитрита весьма вероятно и может являться важным фактором в патогенезе ряда патологических состояний, при которых увеличивается уровень N0 в мышце. Во-вторых, производные N0 реагируют с металлами-переносчиками, такими как железо гема и железо-сульфидными центрами с образованием комплекса N0-металл. Этот механизм является основным в забуферировании N0 миоглобином и гемоглобином. Также существует путь, с помощью которого N0 может регулировать функцию металлопротеинов. В мышце, например, связь N0-гем увеличивает активность растворимой
гуанилатциклазы, таким образом, увеличивая уровень циклического гуанозинмонофосфата (цГМФ) [44]. В-третьих, восстановленные тиолы являются основными мишенями, с которыми взаимодействует NO. NO реагирует с тиолами белков (RSH, RS~) через S-нитрозилирование с образованием групп RS-NO. Эта реакция легко обратима с помощью переноса NO на другие сульфидные центры. S-нит-розилирование глутатиона (он обладает антиокси-дантным действием на компоненты клетки) и других нерегуляторных тиолов представляет, таким образом, другой механизм забуферирования NO. Эта реакция также может регулировать функцию белка с помощью изменения конформации, увеличения образования дисульфидов, или посредством влияния на реакционную способность ближайших центров, содержащих атом металла [99]. Через два упомянутых механизма, т.е. активацию гуанилат-циклазы и S-нитрозилирование белков и реализуются в мышце основные сигнальные процессы, зависимые от оксида азота.
изоформы no-синтазы и регуляция активности нейрональной формы
Реакция образования NO катализируется NO-син-тазой (NOS). Известны три изоформы NO-синтазы: I тип NOS (также именуемый нейрональной NOS или «NOS) постоянно экспрессируется в различных нейрональных структурах и мышцах; II тип (инду-цибельная или /NOS), обычно не присутствует в скелетных мышцах, III тип (эндотелиальная или eNOS), находится в эндотелиальных клетках [33, 50]. Из них «NOS и eNOS являются кальций-зависимыми, а /NOS - кальций независимой и транскрип-ционно регулируется различными цитокинами, а не кальцием [39, 101]. Изоформа «NOS^ селективно экспрессируется в сердце, однако преобладает в скелетной мышце крысы и является наиболее изученным сплайс-вариантом «NOS [8]. «NOS и eNOS, регулируются уровнем внутриклеточного Ca2+ благодаря Са2+"зависимому связыванию каль-ций-кальмодулинового комплекса (CaM) с этими изоформами. Было показано, что и «NOS и eNOS начинают активироваться при концентрации Ca2+ 100 нмол/л и полностью активируются при 500 нмол/л Ca2+ [31, 32, 76, 88]. Кроме того, активность «NOS, т.е. ее способность к продукции оксида азота регулируется фосфорилированием серинового остатка в ее молекуле. Это фосфорилирование определяется инсулин-активируемыми протеинкиназами [40] или АМФ-зависимой протеинкиназой - AMPK -[22]. Снижение продукции NO, скорее всего, связано с кальпаин-зависимым распадом «NOS или ее экспортом из субсарколеммального комплекса [24,
49]. Особенную значимость как для работы nNOS, так и для её стабильности имеет HSP90 (белок теплового шока 90) [14, 47, 75, 71]. HSP90 может служить аллостерическим позитивным модулятором, способствующим образованию активной конфор-мации nNOS, или увеличению её сродства к каль-ций-кальмодулиновому комплексу (CaM) [95]. Также ранее было показано, что взаимодействие nNOS с HSP90 ведёт к корректному включению гем-груп-пы и образованию стабильного гомодимера nNOS [15, 62]. При блокировании HSP90 происходит снижение активности nNOS, образование мономерной гем-дефицитной формы nNOS, которая вскоре подвергается протеасомной деградации [27, 69]. Кроме того, восприимчивость к действию кальпаинов у nNOS значительно снижается в присутствии экви-молярных количеств HSP90 [11].
Активатором NO-синтазы является ее субстрат, предшественник оксида азота Z-аргинин. Конкурентным ингибитором - L-NAME (N-nitro-Z-arginine methyl ester hydrochloride). Оба эти регулятора специфичны по отношению к обеим формам NOS, характерным для мышцы, нейро-нальной и эндотелиальной.
экспрессия и локализация нейрональной no-синтазы в скелетной мышце
В скелетной мышце человека мРНК нейрональной NO-синтазы была впервые обнаружена в 1993 г. [66]. Данный белок экспрессируется в волокнах скелетной мышцы и аксонах мотонейронов. Иммуногистохимическое выявление nNOS в мышцах [44] показало, что её содержание выше в быстрых волокнах, чем в медленных; она в основном локализована возле сарколеммы, её концентрация очень высока в нервно-мышечных синапсах [19]. Однако в мышечном волокне она может находиться и в свободном виде в цитоплазме. В сарколеммальной зоне NOS I типа (nNOS) ассоциирована с белком а1-синтрофином дистрофин-саркогликанового комплекса [18, 110]. Причем эта ассоциация зависит от присутствия в структуре синтрофина домена PDZ [7]. С этим доменом также связывают и локализацию некоторых других ключевых сарколеммальных белков, например, аквапорина-4 и механо-чувствительного кальциевого канала TRPC-1 [7, 108] (рис. 1).
функция no в сокращающейся мышце
При повышенной сократительной активности мышц наблюдается увеличение в ней продукции оксида азота [74, 109] и даже увеличение его
ЦИТОЗОЛЬ 6 F-актин
Рис. 1. nNOS ассоциирована с дистрофин-саркогликановым комплексом мышечной мембраны (рисунок по Brenman с соавторами 1996 год с модификациями) [30].
концентрации в крови (несомненно, миогенной природы) [74]. Pye и соавторы (2007) определили, что при сокращении единичного волокна содержание NO в нем увеличивается на 48% [77]. Этого увеличения не наблюдается при введении ингибитора NO-синтазы, L-NAME. Zhang et al. (2004) обнаружили, что NO вырабатывается в скелетно-мышечных клетках С2С12 при их статическом или динамическом растяжении [117]. Повторные физические нагрузки приводят к увеличению экспрессии nNOS [60, 104]. Однако до сих пор природа механо-зависимой активации nNOS остается нераскрытой. Сигнальная роль оксида азота при повышенной сократительной активности мышц изучена лишь фрагментарно. Так, показано, что на фоне хронической электро-миостимуляции у крыс применение ингибитора NO-синтазной активности L-NAME предотвращает трансформацию быстрых волокон в медленные (т.е. повышение экспрессии медленных изоформ тяжелых цепей миозина) [59]. Этот феномен свидетельствует о синергическом действии NO и сигнального пути кальцинейрин/N^AT7. Действительно, этими авторами показано, что через активацию гуанилатциклазного пути NO суп-прессирует GSK3ß, эндогенный ингибитор каль-цинейрина. В результате, повышенная продукция NO в рабочей мышце способствует поддержанию высокого уровня экспрессии медленных изоформ тяжелых цепей миозина.
Известно, что в скелетной мышце NO способствует активации 5'-АМФ-зависимой протеинки-назы, стимулирующей энергетиче
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.