Стародубцева М.Н. Пероксинитрит в физиологии и патологии клеток крови

Оглавление

Введение

Система кроветворения и кровообращения играет важнейшую роль в гомеостазе организма, способности организма противостоять изменениям его состава, структуры, функций и состояния под действием внешних и внутренних факторов. Именно клетки крови не только обеспечивают все части организма самым необходимым для жизни ресурсом – кислородом и отводят из органов и тканей один из основных продуктов жизнедеятельности – диоксид углерода, но и являются "скорой помощью", которая первой прибывает на место возникающих в организме любых повреждений. И неслучайно товарно-денежную систему, которая уже несколько веков является основой существования и развития человеческого общества, врач по образованию (лейб-медик Людовика ХV) и экономист по призванию, французский ученый Франсуа Кенэ еще в ХVIII веке сравнивал с системой кровообращения живого организма.

Изменения состояния, свойств и функций живых организмов, включая возникновение патологических состояний, обусловлены на молекулярном уровне изменением состава и структуры биомолекул, а также их организацией в сложные комплексы и структуры под действием внутренних и внешних факторов различной природы (химически активных агентов, ионизирующего излучения, механических нагрузок и др.). Универсальными посредниками (промежуточными продуктами, интермедиатами) в этих процессах являются активные формы кислорода (АФК) и азота (АФА). Без их участия невозможны жизнедеятельность, старение и смерть клеток, тканей и организмов.

К АФК относят свободные радикалы кислорода и его соединений: супероксидный анион-радикал, гидроксильный радикал, пероксидный радикал, гидропероксидный радикал, алкоксильный радикал; нерадикальные производные кислорода: пероксид водорода, гипохлорную кислоту), озон, синглетный кислород. К АФА относят свободные радикалы монооксида азота и диоксида азота, а также нерадикальные соединения: пероксинитрит, азотистую кислоту, нитроксил-анион, нитрозил-катион, нитроний-катион, нитрилхлорид и другие.

Большинство "активных форм азота" являются соединениями азота с кислородом, но выделение в отдельную группу подчеркивает их особенность среди других активных форм соединений кислорода, обусловленную присутствием атома азота в их составе. АФК и АФА играют в организме двойственную роль. С одной стороны, они при низких концентрациях могут, как правило, регулировать и стимулировать клеточные процессы; с другой стороны, эти активные интермедиаты при высоких концентрациях способны приводить к подавлению функций, разрушению структур и гибели клеток и тканей.

В настоящее время является общепризнанной ключевая роль АФК и АФА в развитии многих заболеваний человека, а также их осложнений. К ним относятся заболевания, занимающие лидирующие позиции в списке болезней современного человека и приводящие не только к нетрудоспособности, но и к смерти: болезни сосудистой системы, включая сердечно-сосудистую систему (инсульт, инфаркт, атеросклероз), онкологические заболевания, воспалительные заболевания суставов (артриты) и пищеварительного тракта, нейродегенеративные заболевания, диабеты и многие другие. В свободнорадикальной теории старения организмов (одной из основных теорий старения) решающая роль в развитии старческих изменений и смерти отводится АФК и АФА. Однако в последние два десятилетия появилось много экспериментальных и теоретических фактов, свидетельствующих о необходимости поддержания определенного уровня АФК и АФА в организме для его нормальной жизнедеятельности. Оказалось, что АФК и АФА, включая активные формы соединений кислорода с азотом, участвуют в трансдукции различного рода сигналов в клетке, индуцируют процессы программируемой гибели клеток (апоптоза), регулируют активность иммунной системы организма, транспорта кислорода, формирования адаптационной защиты от агрессивных факторов внешней среды и т.п.

В конце ХХ века в биологии произошло важное событие. Было установлено, что простейшее соединение азота с кислородом – монооксид азота (NO) непрерывно продуцируется ферментативным путем в организме животных и человека, выполняя функции одного из универсальных регуляторов метаболизма. Лавинообразный рост публикаций по биологии монооксида азота, начавшийся с конца 90-х годов, позволил редакции журнала "Science" в 1992 г. провозгласить NO "молекулой года". В 1998 г. ученым, впервые открывшим и сделавшим значительный вклад в описание биологической активности монооксида азота, была присуждена Нобелевская премия в области медицины.

Важной для организма активной формой соединений азота с кислородом является пероксинитрит – соединение нерадикальной природы, процессы образования которого, как и его взаимодействия с биологически важными молекулами, включают свободной радикальные реакции. Под термином "пероксинитрит" объединяют две разные формы одного соединения: пероксинитрит-анион и пероксиазотистую кислоту. Пероксинитрит выступает в качестве интегрального звена, объединяющего две системы активных низкомолекулярных соединений, возникающих в клетках и тканях – АФК и АФА. В организме он образуется в результате диффузионно-контролируемой реакции монооксида азота и супероксидного анион-радикала – соединений радикальной природы, играющих ключевую роль во многих процессах, протекающих в организме в норме и при патологиях. Эти радикалы синтезируются многими клетками организма. При этом они могут диффундировать и вступать в реакцию с образованием пероксинитрита уже в другом месте. Так как средний диффузионный путь супероксидного анион-радикала значительно меньше пути, характерного для свободной диффузии монооксида азота, то, вероятнее всего, пероксинитрит образуется вблизи места образования супероксидного анион-радикала, например в месте локализации NADPH-оксидазы.

Пероксинитрит отличается высокой реакционной способностью по отношению к биологически важным соединениям, превышающей реакционную способность первичных радикалов. Это соединение сочетает свойства пероксидных и азотсодержащих (оксидов азота) соединений. Пероксинитрит действует как окисляющий, нитрующий, нитрозирующий и гидроксилирующий агент. Причем действие его на молекулы в значительной степени специфично. Например, пероксинитрит с наибольшей вероятностью реагирует с простатическими группами белков, содержащими ионы переходных металлов, а также окисляет сульфгидрильные группы и нитрует ароматические остатки белковых молекул. Эти реакции влияют на обратимое изменение конформации белков при фосфорилировании и дефосфорилировании ароматических групп, окислении и восстановлении сульфгидрильных групп белка, которые важны в клеточной сигнализации и регулировании клеточных процессов. Проксинитрит in vitro при "физиологических" значениях рН в отсутствие других молекул изомеризуется в нитрат примерно в течение секунды (в организме время жизни пероксинитрита намного меньше из-за его высокой реакционной способности).

Таким образом, специфичность действия пероксинитрита в организме основана на локальности его образования, высокой реакционной способности и особенностях его химических свойств.

В ранних работах пер оксинитриту приписывали, в основном, токсическое, деструктивное действие. Однако результаты последних лет указывают на важную роль пероксинитрита как регулятора клеточных функций и участника процессов трансдукции сигнала в клетках.

Сложность определения текущей и стационарной концентраций пероксинитрита в организме связана с малой вероятностью нахождения пероксинитрита в свободном состоянии длительное время из-за его высокой реакционной способности. Характерными следами участия пероксинитрита в клеточных процессах являются нитропроизводные белков, липидов и нуклеиновых кислот (например, 3-нитротирозина), так как именно нитрующая способность пероксинитрита является отличительной чертой этого соединения, исключительно важной в управлении свойствами биомолекул. Одним из интермедиатов пероксинитрит-зависимого процесса нитрования биомолекул является диоксид азота, который может быть интермедиатом и в других нитрующих системах, таких как Н₂O₂/NO₂^–, с участием гемсодержащих белков. Механизмы нитрования с участием пероксинитрита и с участием молекулярных систем типа Н₂O₂/NO₂^–/гемсодержащие белки сильно связаны между собой, поэтому их целесообразно рассматривать совместно.

Монография посвящена выяснению молекулярно-клеточных механизмов участия пероксинитрита в процессах, происходящих в клетках крови, а также роли клеток крови в пероксинитрит-зависимых процессах, имеющих место в организме в норме и при патологиях. В первой главе обсуждаются процессы синтеза пероксинитрита как в лабораторных условиях, так и в живом организме, его транспорт через плазматическую мембрану, а также реакционная способность пероксинитрита. Глава 2 в основном посвящена анализу реакций пероксинитрита с белками клеток крови. Пероксинитрит-индуцированные изменения свойств и функций клеток крови обсуждаются в третьей главе. В четвертой главе главное внимание сосредоточено на участии пероксинитрита в процессах клеточной сигнализации, в изменении путей активации функций клеток крови, а также их гибели. Пятая глава посвящена выяснению участия пероксинитрита в развитии различных заболеваний человека, роли клеток крови в этих процессах, а также основным подходам к лечению пероксинитрит-зависимых патологий.

Автор выражает глубокую признательность академику НАН Беларуси, профессору С.Н.Черенкевичу за обсуждение проблем, поднятых в монографии, ценные советы и помощь в процессе работы над ней, за рецензирование монографии. Автор искренне благодарит также двух других рецензентов, профессора В.В.Зинчука из Гродненского государственного медицинского университета и профессора К.Н.Новикова из Московского государственного университета им.М.В.Ломоносова, за внимательное ознакомление с текстом рукописи и ценные замечания, которые были учтены при подготовке ее заключительного варианта. Автор благодарит всех коллег, соавторов работ, на которые даны ссылки в монографии: доцента Г.Н.Семенкову и Е.И.Коваленко (Белорусский государственный университет); профессора К.Эллори и А.Таттерсол (Лаборатория физиологии, анатомии и генетики Оксфорского университета, Великобритания); члена-корреспондента НАН Беларуси, профессора

С.А.Чижика и Т.А.Кузнецову (Институт тепло- и массообмена НАН Беларуси); профессора Н.И.Егоренкова (Гомельский государственный технический университет им.П.О.Сухого); доцента Т.Г.Кузнецову, ассистента И.А.Никитину и студентку Т.Н.Божок (Гомельский государственный медицинский университет); Д.Р.Петренева, сотрудника Института радиобиологии НАН Беларуси, а также профессора Р.И.Жданова (Институт общей физиологии и патофизиологии Российской академии наук).

Автор благодарен также своей семье за проявленные в процессе работы над монографией понимание и поддержку.

Автор понимает, что первая попытка обобщить теоретический и экспериментальный материал по этой актуальной и сложной проблеме, изучением которой он занимается уже 15 лет, все же не может быть свободной от недостатков и с благодарностью примет все замечания читателей-специалистов.

Об авторе

Кандидат биологических наук, доцент кафедры медицинской и биологической физики Гомельского государственного медицинского университета. Окончила физический факультет Белорусского государственного университета, аспирантуру и докторантуру по специальности "биофизика" под руководством академика Национальной академии наук Республики Беларусь, профессора С.Н.Черенкевича. В течение нескольких лет занималась исследовательской работой на кафедре физиологии, анатомии и генетики Оксфордского университета (Великобритания) под руководством профессора Дж. К.Эллори. Сфера научных интересов: механизмы действия активных форм кислорода и азота на биомолекулы, органеллы и клетки, морфология и структурно-механические свойства клеток, изучение поверхностных слоев биологических объектов методами сканирующей зондовой (атомно-силовой) микроскопии, а также разработка новых методов исследования в этих областях. Автор более 150 научных работ, опубликованных в ведущих российских и зарубежных изданиях, в том числе ряда учебных и учебно-методических пособий. Член Белорусского общества физиологов, Белорусского биохимического общества, Белорусского общественного объединения фотобиологов и биофизиков, а также Физиологического общества Великобритании.