УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2008, том 39, № 3, с. 29-44
УДК 577.3
РЕДОКС-ГОМЕОСТАЗ КЛЕТОК
© 2008 г. Г. Г. Мартинович, С. Н. Черенкевич
Белорусский государственный университет, Минск
Достижения клеточной биофизики и физиологии привели к существенным изменениям представлений о роли окислительно-восстановительных процессов в жизнедеятельности клеток. Установлено, что окислители и восстановители участвуют в процессах клеточной дифференцировки, пролиферации и апоптоза. Сформированы представления о существовании определенного баланса между окислительными и восстановительными процессами в клетках или редокс-гомеостаза. В обзоре рассматриваются современные данные о механизмах регуляции редокс-гомеостаза. Детально анализируется взаимосвязь между редокс-гомеостазом и метаболизмом. Особое внимание уделяется проблеме количественного описания окислительно-восстановительных процессов в биологических системах.
Функционирование живой системы основывается на поддержании характерного для данной системы постоянства ряда внутренних параметров или гомеостаза. Термин "гомеостаз" используется для характеристики способности организма в процессе взаимодействия с внешней средой сохранять значения функционально значимых параметров внутренней среды в заданных пределах. У млекопитающих и птиц гомеостаз включает поддержание постоянства концентрации водородных ионов (рН) и состава крови, осмотического давления, температуры тела, кровяного давления и многих других функций.
Благодаря адаптационным механизмам физические и химические параметры, определяющие жизнедеятельность организма, меняются в сравнительно узких пределах даже при значительных изменениях внешних условий. Поддержание определенных параметров гомеостаза является результатом сложных регуляторных взаимоотношений, осуществляемых как в целостном организме, так и на органном и клеточном уровнях. Среди основных составляющих клеточного гомеостаза в настоящее время выделяют мембранный потенциал покоя, ионный гомеостаз, объемный гомеостаз и рН гомеостаз [89]. Установлены механизмы регуляции этих составляющих и определены диапазоны их значений, поддержание которых необходимо для нормального функционирования клеток. В последнее время в научной литературе также обсуждается роль в жизнедеятельности клетки редокс-гомеостаза, характеризующего определенный баланс между процессами окисления и восстановления [15, 35, 97].
Показано, что свойства ферментов и клеток в целом регулируются окислительно-восстановительными реакциями, протекающими между компонентами жидкой фазы в клетке и внутриклеточными белками [1, 25, 96]. Повышение или
снижение внутриклеточной концентрации доноров или акцепторов электронов может приводить к изменению скорости и направления протекания окислительно-восстановительных процессов в клетках и, вследствие этого, изменению их функциональной активности. В клетке функционируют механизмы, направленные на поддержание определенного, характерного для данной клетки баланса процессов накопления и утилизации доноров и акцепторов электронов. В результате работы этих механизмов поддерживается редокс-гомеостаз клеток, т.е. при действии внешних факторов величина отношения между внутриклеточными концентрациями доноров и акцепторов электронов (или восстановителями и окислителями) изменяется в определенных пределах.
В настоящее время отмечается существенный прогресс в изучении молекулярных механизмов, участвующих в регуляции редокс-гомеостаза клеток и тканей. Показано, что активность ряда про-теинкиназ, фосфатаз, фосфолипаз, факторов транскрипции, ионных каналов и насосов клеточных мембран зависит от внутриклеточной концентрации окислителей и восстановителей. Однако наличие многочисленных молекулярных мишеней действия редокс-молекул и сложные взаимодействия этих молекул между собой затрудняют установление молекулярных механизмов действия окислителей и восстановителей на клетки. В научной литературе до сих пор ведется дискуссия о регуляторной и токсической роли как окислителей, так и восстановителей. При этом следует отметить, что четкое разделение регуляторных и токсических эффектов действия ре-докс-молекул в настоящее время представляется затруднительным. Это во многом обусловлено отсутствием фундаментальных теоретических разработок, позволяющих более детально и точно описать процессы редокс-регуляции, протека-
Таблица 1. Содержание аскорбиновой кислоты в биологических жидкостях и тканях
Тип объекта АК, мМ Ссылка
Мозг мыши 3.0 [49]
Почка мыши 1.4 [49]
Печень мыши 1.7 [49]
Легкие мыши 3.0 [49]
Легкие человека 3.0 [91]
Мышцы мыши 0.9 [49]
Сердце мыши 1.4 [49]
Глазная жидкость человека 0.9 [109]
Хрусталик глаза человека 1.1 [109]
Стекловидное тело глаза человека 2.0 [109]
Надпочечная железа человека 1.9 [91]
Внеклеточная жидкость эпителия 0.05 [108]
легких человека
Плазма крови человека 0.05-0.1 [59]
Цереброспинальная жидкость крысы 0.5 [102]
Внеклеточная жидкость мозга крысы 0.4 [81]
Цитоплазма эритроцитов человека 0.05-0.1 [37]
Цитоплазма тромбоцитов человека 2.0-4.0 [37]
Цитоплазма гранулоцитов человека 1.2-2.5 [37]
Цитоплазма моноцитов человека 6.0-8.0 [12]
Цитоплазма в-клеток крысы 4.0 [104]
Цитоплазма астроцитов человека 1.0 [90]
Цитоплазма нейронов человека 10.0 [90]
Хромаффинные гранулы клеток 22.0 [52]
надпочечников
ющие в клетке с участием редокс-молекул. Тем не менее уже накоплен богатый фактический материал, указывающий на то, что многие механизмы действия редокс-молекул могут быть объяснены с использованием определенных физико-химических параметров [1, 5, 43, 45, 76, 58, 60, 65, 96].
В настоящем обзоре на основе собственных и литературных данных рассмотрены основные механизмы регуляции редокс-гомеостаза, его связь с клеточными процессами и диапазон возможных значений параметров редокс-гомеостаза.
РЕДОКС-ГОМЕОСТАЗ КЛЕТОК И МЕХАНИЗМЫ ЕГО РЕГУЛЯЦИИ
Многочисленные данные литературы указывают на то, что концентрации основных восстановителей и окислителей в разных типах клеток существенно различаются. В качестве примеров в табл. 1-3 представлены данные о значениях концентраций в клетках, тканях и биологических жидкостях таких доноров и акцепторов электро-
нов, как аскорбиновая кислота, глутатион и пе-роксид водорода.
Из представленных данных следует, что наблюдается неравномерное распределение витамина С в органах и тканях организма человека и животных (табл. 1). Концентрация аскорбиновой кислоты во внеклеточной жидкости мозга и спинномозговой жидкости на порядок выше, чем в плазме крови. Все клетки, за исключением эритроцитов (эритроциты только в искусственных условиях при повышенной концентрации дегид-роаскорбиновой кислоты способны накапливать аскорбиновую кислоту до концентраций 1-2 мМ [80]), способны накапливать аскорбиновую кислоту до концентраций, в 100 раз превышающих концентрацию витамина С в крови. Различия в распределении аскорбиновой кислоты наблюдаются не только для тканей, но и для разных типов клеток одной ткани и одного органа. Так, для клеток крови значения внутриклеточной концентрации витамина С изменяются в диапазоне от 50 мкМ (в эритроцитах) до 8 мМ (в моноцитах); для клеток мозга - от 1 мМ (в астроцитах) до 10 мМ (в нейронах). Содержание аскорбиновой кислоты в ряде типов клеток зависит от ее внеклеточной концентрации. Повышение концентрации аскорбиновой кислоты в крови вызывает соответствующее повышение внутриклеточной концентрации в гранулоцитах (эозинофилах и базофилах), тромбоцитах и эритроцитах (в моноцитах концентрация аскорбиновой кислоты не зависит от ее внеклеточной концентрации).
Концентрация аскорбата в мозге крыс повышается при травме, ишемии и реперфузии [44, 122]. Показано, что концентрация аскорбиновой кислоты в лимфоцитах больных лейкемией в 2 раза превышает концентрацию витамина в клетках здоровых людей [70]. В организмах млекопитающих наблюдается также неравномерное распределение глутатиона в тканях и жидкостях (см. табл. 2).
Как видно из представленных данных в табл. 1 и 2, некоторые типы клеток преимущественно накапливают аскорбиновую кислоту, другие -глутатион. Различия в концентрациях восстановителей наблюдаются не только в разных тканях, но и в одних и тех же тканях, относящихся к разным видам организмов. Например, содержание глутатиона в плазме крови мыши значительно выше, чем в плазме крови людей (табл. 2).
Для многих заболеваний характерным является понижение концентрации глутатиона в тканях и биологических жидкостях, исключением являются только онкологические заболевания, при которых концентрация глутатиона в тканях повышается. В клетках карциномы печени содержится в 2 раза больше глутатиона, чем в гепато-цитах в норме [46]. В клетках эпидермальной кар-
циномы концентрация глутатиона (24.36 нМ/мг белка) в 8 раз превышает норму (3.04 нМ/мг белка) [118]. Увеличение концентрации восстановителей в клетках при раке сопровождается повышением концентрации окислителей во внеклеточной среде. У больных раком содержание глутатиона в эритроцитах в 2 раза превышает норму (9.3 мг/г белка против 4.4 мг/г белка, соответственно), а концентрация пероксида водорода в крови выше нормальной в 2.5 раза (6.2 мкМ против 2.5 мкМ) [10].
Содержание других восстановителей в тканях и биологических жидкостях также различается. Например, концентрация мочевой кислоты (основной водорастворимый восстановитель в крови, ее концентрация в плазме крови равна 300 мкМ) в клетках на несколько порядков ниже, чем во внеклеточной среде.
Существенны также различия в концентрациях окислителей и, в частности, пероксида водорода в тканях в норме и при патологиях (табл. 3). Значения концентрации пероксида водорода в различных клетках и биологических жидкостях изменяются в широком диапазоне, при этом внеклеточные концентрации окислителя выше внутриклеточных. Следует обратить внимание на тот факт, что значения концентрации пероксида водорода, приведенные в табл. 3, значительно выше, чем считалось ранее (на протяжении многих лет считалось, что концентрация пероксида водорода в клетках и тканях в норме не превышает 10-9-10-7 М [21]).
Так
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.