научная статья по теме ПРИЧИНЫ И МЕХАНИЗМЫ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ МЕЖДУ ГЛИКОЛИЗОМ И ДЫХАНИЕМ (ОБЗОР) Химия

Текст научной статьи на тему «ПРИЧИНЫ И МЕХАНИЗМЫ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ МЕЖДУ ГЛИКОЛИЗОМ И ДЫХАНИЕМ (ОБЗОР)»

БИОХИМИЯ, 2015, том 80, вып. 5, с. 662 - 668

УДК 577.23

ПРИЧИНЫ И МЕХАНИЗМЫ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ МЕЖДУ ГЛИКОЛИЗОМ И ДЫХАНИЕМ

Обзор

© 2015 С.С. Соколов1, А.В. Балакирева2, О.В. Маркова1, Ф.Ф. Северин1*

1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, 119991 Москва;

факс: +7(495)939-0338, электронная почта: severin@beloz.ersky.msu.ru

2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,

факультет биоинженерии и биоинформатики, 119991 Москва; факс: +7(495)939-4195

Поступила в редакцию 25.12.14 После доработки 26.01.15

Существуют два основных пути синтеза АТР: гликолиз и окислительное фосфорилирование. Как правило, оба пути не бывают одновременно полностью активированы в одной клетке. В этом обзоре мы обсуждаем механизмы ингибирования дыхания гликолизом (эффекты Варбурга и Крэбтри). Каковы причины существования этой отрицательной обратной связи? Известно, что одновременная максимальная активация обоих процессов может приводить к генерации активных форм кислорода. Использование окислительного фосфорилирования более эффективно с энергетической точки зрения, а гликолиз, по-видимому, относительно более надежен и ориентирован на синтез биомассы. Возможно, поэтому покоящиеся клетки используют преимущественно окислительное фосфорилирование, а быстро пролиферирующие — гликолиз.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: гликолиз, окислительное фосфорилирование, митохондрия, эффект Крэбтри.

В процессе гликолиза из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиног-радной кислоты и восстанавливаются две молекулы NAD+, а также фосфорилируются две молекулы ADP [1]. Окисление пирувата и NADH в ходе цикла Кребса и окислительного фосфо-рилирования приводит к образованию еще 28—30 молекул ATP. Таким образом, с энергетической точки зрения в аэробных условиях основной функцией гликолиза является не получение ATP, а преобразование глюкозы и других гексоз в субстрат для цикла Кребса и окислительного фосфорилирования [2]. Скорость и направление гликолиза в основном определяются регуляцией ферментов, осуществляющих необратимые стадии: гексокиназы, фосфофрук-

Принятые сокращения: АФК — активные формы кислорода; VDAC — потенциал-зависимый анионный канал (voltage-dependent anionchannel); FCCP — карбонил цианид-4-(трифлуорометокси)фенилгидразон (carbonyl cyanide-4-(trifluoromethoxy)phenylhydrazone); YP — дрожжевой экстракт-пептон (yeast extract-peptone).

* Адресат для корреспонденции.

токиназы-1 и пируваткиназы. Избыток субстратов цикла трикарбоновых кислот, например, ацетил-КоА и цитрата, а также ATP, осуществляет обратную связь, ингибируя активность фосфофруктокиназы-1, регулируя скорость гликолиза под потребность дыхательной цепи в субстратах [3].

Однако большинство клеток обладают механизмами, нарушающими такую регуляцию, а именно эффектом Крэбтри и эффектом Варбурга. Эффект Крэбтри был назван по имени первооткрывателя Герберта Крэбтри [4] и описывает обратимый феномен дрожжей Saccharomyces cerevisiae, заключающийся в том, что при высокой концентрации глюкозы дрожжи продуцируют этанол в процессе брожения в аэробных условиях, вместо того чтобы проходить через цикл трикарбоновых кислот, характерный для других дрожжей в аэробных условиях, например, Kluyveromyces. Эффект Крэбтри характерен не только для дрожжей S. cerevisiae, но и для многих опухолевых, зараженных вирусом и просто пролиферирующих клеток. Аналогичное явление, обнаруженное на раковых клетках, получи-

л о название эффект Варбурга. Было замечено, что в раковых клетках в присутствии кислорода наблюдается подавление дыхания и накопление лактата, образующегося в результате анаэробного гликолиза, что говорит о том, что энергетика раковой клетки основана на гликолизе [5].

Итак, дыхание может ингибировать гликолиз, а гликолиз — дыхание. Возникает вопрос: почему клетка, как правило, не использует оба процесса одновременно на полную мощность? На наш взгляд наиболее вероятное объяснение заключается в следующем. Активное дыхание при высоком соотношении ATP/ADP (в случае активного гликолиза) может привести к гиперполяризации митохондрий: в этом случае мембранный потенциал не расходуется на синтез ATP. Как следствие резко увеличивается образование АФК в дыхательной цепи [6]. Интересно, что некоторые линии раковых клеток, для роста которых необходим высокий уровень АФК, используют этот механизм для их генерации. Тем не менее, даже в этом случае не происходит одновременной активации дыхания и гликолиза: вместо повышения уровня ATP/ADP такие раковые клетки ингибируют митохондриальную ATP-синтазу, таким образом предотвращая диссипацию мембранного потенциала митохонд-риий и, как следствие, вызывая их гиперполяризацию [7].

Клеточный метаболизм покоящихся и про-лиферирующих клеток значительно различается. Раковые и другие активно делящиеся, например, эмбриональные [8], клетки часто демонстрируют повышенный уровень гликолиза даже в присутствии физиологических количеств кислорода [5, 9]. Возможно, переход пролиферирующих клеток на гликолиз, при котором пируват, вместо того чтобы входить в цикл Кребса, окисляется до лактата, направляет питательные вещества на включение в биомассу, а не на разложение на углекислый газ и воду [10]. Другое объяснение: ориентация пролиферирующих клеток на гликолиз связана с тем, что неожиданная гипоксия не приведет к резкому падению уровня ATP и, как следствие, митотической катастрофе. Кроме того, повреждение активно работающей митохондрии часто приводит к резкому повышению генерации АФК. Не исключено, что подавление дыхательной активности митохондрий — своеобразная страховка от их повреждений [11, 12].

Аналогичная ситуация происходит и у дрожжей S. cerevisiae: в присутствии глюкозы они ме-таболизируют продукты гликолиза до этанола и набирают биомассу значительно быстрее, чем при росте на неферментируемых источниках углерода. Как же происходит переключение метаболизма с дыхания на гликолиз в пролифериру-

ющих клетках? Как было сказано выше, высокое соотношение ATP/ADP в числе прочих факторов ингибирует гликолиз [13, 14]. Поэтому первым шагом переключения на гликолиз должно быть снижение уровня цитоплазматического ATP. Варбург полагал, что причиной снижения соотношения ATP/ADP является первичное повреждение митохондрий в раковых клетках [5]. Однако более поздние работы показали, что митохондрии, выделенные из опухолевых клеток, способны осуществлять окислительное фосфорилирование так же, как и митохондрии нормальных клеток [15, 16]. Предполагается, что «выключение» митохондрий в опухолевых клетках обратимо и осуществляется через закрытие потенциал-зависимого анионного канала (VDAC) избытком свободного тубулина [17]. VDAC является единым общим каналом в наружной митохондриальной мембране для транспорта метаболитов. Было показано, что избыток свободного тубулина, возникающий в раковых клетках, способен закрывать VDAC, тормозя работу митохондрий, тем самым снижая соотношение ATP/ADP в цитоплазме [18].

Повышение концентрации тубулина в быстро пролиферирующих клетках связано с тем, что микротрубочки в митозе значительно более динамичны, чем в интерфазе: необходимы быстрый рост и сокращение микротрубочек для установления контакта с центромерными участками хромосом [19]. Переключение с дыхания на гликолиз позволяет опухолевым клеткам не зависеть от уровня кислорода в тканях, а также помогает избежать апоптоза [20]. Для усиления скорости гликолиза такие клетки могут сверх-экспрессировать высокоаффинные глюкозные транспортеры Glut1 и Glut3 [21].

Имеются данные о том, что при диабете, когда уровень глюкозы высок, p90RSK (p90 14 ribosomalS6 kinase) может являться блокатором некоторых митохондриальных ответов на высокую концентрацию глюкозы в каскаде:

глюкоза ^ MEK5 ^ ERK5 ^ p90RSK,

где MEK5 и ERK5 — члены семейства MAP-ки-наз, участвующих во многих путях пролиферации клеток, включая опухолевые [22]. Также было показано, что p90RSK влияет на p53, являющийся важным регулятором работы митохондрий. Была обнаружена связь между эффектом Крэбтри и морфологией митохондрий: фрагментация митохондрий и генерация АФК в ответ на высокую концентрацию глюкозы [23]. Возможно, фрагментация митохондрий является промежуточным шагом между активацией p90RSK и ингибированием дыхания [24].

Сравнительный анализ транскриптомов штаммов ^ 8егеу1з1ае, растущих либо на глюкозе, либо на галактозе, показал, что факторы транскрипции Вав1р, РИо2р и Gcn4p играют центральную роль в регуляции эффекта Крэбтри. Вав1р и РИо2р ответственны за распределение метаболических потоков, ассоциированных с переключением использования галактозы на глюкозу. Так, при высоком содержании глюкозы Вав1 сверхэкспрессирован. Кроме того, мутации в гене ВАБ2 снижают эффект Крэбтри и скорость роста на глюкозе путем уменьшения активности Gcn4p [25].

Эффект Варбурга в раковых клетках и эффект Крэбтри в дрожжах обладают рядом схожих черт: супрессивный эффект на окислительный метаболизм, возросший уровень брожения несмотря на присутствие кислорода. Клетки обоих типов сверхэкспрессируют все гликоли-тические ферменты в ответ на глюкозу. Различие заключается лишь в том, что в раковых клетках сверхэкспрессируется цитоплазматическая лактатдегидрогеназа, что приводит к накоплению лактата, в то время как в дрожжах сверх-экспрессируется пируватдекарбоксилаза, приводящая к появлению ацетальдегида, который алкогольдегидрогеназа восстанавливает в этанол [26].

Механизм развития эффекта Крэбтри до сих пор неизвестен. Изначально предполагалось, что он может возникать из-за конкуренции аде-ниннуклеотидного транспортера с ферментами гликолиза за АБР [27], однако последующие исследования показали, что это не так, константа Михаэлиса к АБР у адениннуклеотидного транспортера примерно в 100 раз ниже, чем у ферментов гликолиза [28]. Поскольку в некоторых линиях клеток эффект Крэбтри можно было предотвратить добавлением избыточного внеклеточного фосфата, предполагалось, что он может быть ингибитором данного эффекта [29]. Это согласовывалось с тем, что уровень фосфата снижался

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.

Показать целиком