74 окислительная модификация белков

74
УДК 616. 153. 96
ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ МОДИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ: ПРОБЛЕМЫ
И ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Л.Е. Муравлева 1 , В.Б. Молотов-Лучанский 1 , Д.А. Клюев 1 ,
Р.А. Бакенова 2 , Б.Ж. Култ анов 1 , Н.А. Танкибаева 1 ,
В.В. Койков 3 , Г.А. Омарова 1
Государственный медицинский университет,
г. Караганда, Республика Казахстан
2
Национальный научный медицинский центр,
г. Астана , Республика Казахстан
3
Медицинский университет, г. Астана, Республика Казахстан
muravlev@inbox.ru, mythrandir79@mail.ru
1
Приведены современные представления о механизмах модификации белков и элиминации окисленных белков. Обсуждаются гипотезы о значении образования карбониловых
производных белков, их роли для контроля фолдинга и регуляции.
Ключевые слова: окислительная модификация белков, карбониловые производные белков.
PROTEIN OXIDATIVE MODIFICATION: PROBLEMS
AND RESEARCH PROSPECTS
L.Ye. Muravleva 1 , V.B. Molotov-Luchansky 1 , D.A. Klyuyev 1 ,
R.А. Bakenova 2 , B.Zh. Kultanov 1 , N.A. Tankibayeva 1 , V.V. Koikov 3 ,
A. Omarova 1
State Medical University, Karaganda, Republic of Kazakhstan,
National Scientific Medical Center, Astana, Republic of Kazakhstan
3
Medical University, Astana, Republic of Kazakhstan
muravlev@inbox.ru, mythrandir79@mail.ru
1
2
Modern representations about the protein oxidative modification mechanism and the oxidised
proteins elimination are resulted. Hypotheses about value of the protein carbonyl derivatives
synthesis and their role for folding control and regulation are discussed.
Keywords: protein oxidative modification, protein carbonyl derivatives.
мембранологии
стем и процессов липопероксидации стало воз-
взаимодействий,
можным применение в практической медицине
проведенные в 80–90-х годах прошлого века
новейших антиоксидантов и антигипоксантов,
и первом десятилетии нынешнего столетия,
таких, как мексидол, эмоксипин, реамберин
позволили определить базовые механизмы раз-
и т.п. В настоящее время они стали обязатель-
вития различных патологических состояний.
ным компонентом в лечении инсультов, повреж-
Результаты этих исследований имели не только
дений глаза, острых и хронических поражений
фундаментальное значение, но и получили ши-
печени, поджелудочной железы и т.д.
Исследования
в области
и молекулярно-клеточных
рокий практический выход. Благодаря изучению
Новым направлением стало исследова-
особенностей динамики антиоксидантных си-
ние окислительной модификации белков
фундаментальные исследования №1, 2010
75
(ОМБ) при различных патологических со-
формирование крупных белковых конгломе-
стояниях
ратов [14].
[1–12].
Для определения
про-
дуктов ОМБ обычно используется метод,
В настоящее время предложены следующие
описанный Е.Е. Дубининой и соавт., [6]
механизмы ОМБ. Первый механизм ОМБ – ко-
предусматривающий регистрацию 2,4- дини-
ньюгация липидных пероксидов с аминокис-
трофенилгидразонов основного и нейтраль-
лотными остатками гистидина, цистеина и ли-
ного характера в плазме (сыворотке) крови.
зина в белках. Второй механизм — окисление
Определяют динитрофенилгидразоны, об-
при участии АФК с образованием карбониль-
разующиеся при спонтанной и/или металл-
ных производных, а также дисульфидов Cys-
катализируемой ОМБ. В последнее время
S-S-Cys, цистеин-сульфеновой (SO), -сульфи-
содержание окисленных белков стали опре-
новой (SO2-) или -сульфоновой (SO3-) кислот,
делять в клетках крови [12] и в тканях [13].
сульфоксида метионина (MetSO). В последнее
В результате накопился большой факти-
время к ОМБ предложено относить и гликиро-
ческий материал, демонстрирующий изме-
вание и гликоксидацию лизиновых и аспараги-
нение катаболитов ОМБ при различных па-
новых остатков [15, 16].
тологических состояниях, появился термин
Карбониловые
производные
белков —
«карбониловый стресс». Для корректной ин-
это стабильные продукты, которые образуются
терпретации полученных результатов возник
при участии аминокислотных остатков про-
вопрос об индукторах, природе и механизмах
лина, аргинина, лизина, треонина с образова-
окислительного повреждения белков, а также
нием аддуктов Михаэля. Также карбониловые
о физиологическом и патофизиологическом
производные белков могут образовываться
значении ОМБ.
при участии аминокислотных остатков лизина,
В качестве основных индукторов ОМБ,
цистеина и гистидина с продуктами перекисно-
в первую очередь, рассматриваются актив-
го окисления липидов. Причем карбонилирова-
ные формы кислорода (АФК), увеличение
ние аргинина и лизина сопровождается потерей
свободного железа, продукты перекисного
одного или более атомов азота. Кроме этого,
окисления липидов при снижении антиокси-
они могут образовываться в процессе глики-
дантной защиты.
рования/гликооксидации аминогрупп лизина.
При действии АФК происходит нарушение
По мнению ряда исследователей, карбонило-
нативной конформации белков с образова-
вые производные формируются при металл-
нием крупных белковых агрегатов или фраг-
катализируемом окислении белков [17].
ментация белковой молекулы. Гидроксиль-
Наиболее важным следствием ОМБ белков
ный радикал чаще всего вызывает агрегацию
является инактивация ферментов. Например,
белков, а в комбинации с супероксиданио-
альдегиды вызывают инактивацию мембран-
ном — фрагментацию с образованием низ-
ных транспортеров, таких, как Na+-K+-ATP-
комолекулярных фрагментов. Радикалы ли-
азы, транспортеров глюкозы в головном моз-
пидов могут также вызывать фрагментацию
ге,
белковых молекул. Механизм формирования
расстройствам. Другим примером является
агрегатов следующий: при действии окси-
инактивация альдегидами шаперона Hsp90
дантов происходит нарушение нативной кон-
и протеин-дисульфидизомеразы, осуществля-
формации ряда доменов белков. В результате
ющих контроль фолдинга. Альдегиды чаще
увеличивается число гидрофобных остатков
всего взаимодействуют с остатками цистии-
на поверхности глобул, что и обуславливает
на или гистидина киназ, принимающих уча-
что приводит
к нейродегенеративным
фундаментальные исследования №1, 2010
76
стие в сигнальной трансдукции, что приводит
генерации АФК, снижения АОЗ и уменьше-
к утрате их активности [18, 19].
ния протеазной активности. Причем этот путь
В последнее время появились новые дан-
карбонилирования строго связан с продукцией
ные, демонстрирующие способность некото-
абберантных белков, образующихся при на-
рых альдегидов активировать белки. Высказа-
рушении трансляции, дефиците шаперонов,
но мнение, что влияние некоторых альдегидов
действии стресс-факторов, например, темпера-
на процесс воспаления, индукцию апоптоза мо-
туры и денатурирующих агентов. Образование
жет быть детерминировано через сигнальные
карбониловых производых абберантных белков
киназы по механизму loss- and gain-of-function
с нарушенным фолдингом необходимо для их
modifications [20].
деградации. По этому сценарию карбонилиро-
Модификация белков делает их более чувствительными к протеолизу. Удаление модифи-
вание можно рассматривать как один из способов контроля качества фолдинга белков [27].
цированных белков идет двумя механизмами:
Открытие роли карбонилирования как одно-
с помощью протеасом и протеаз. Целевая де-
го из способов контроля качества позволи-
градация карбонилированных белков идет дву-
ло с другой точки зрения взглянуть на ОМБ.
мя вариантами. В первом варианте принимает
Установлено, что активация ряда генов, со-
участие 20 S убиквитин-независимая протеа-
держащих антиоксидант-респонсивные эле-
сома, которая разрушает белки с нарушенным
менты, регулируется по механизму карбони-
фолдингом. Механизм распознавания таких
лирования. Например, Nrf2 (NF-E2-related
белков связан со способностью протеосом
factor 2) — основной транскрипционный фак-
определять участки глобул, на которых про-
тор, вовлеченный в регуляцию генов, содержа-
исходит экспозиция гидрофобных радикалов.
щих антиоксидант- респонсивные элементы,
Это путь деградации многих карбонилирован-
активируется в ответ на окислительный стресс.
ных белков. Если в дело вступает 26 S про-
Предложен механизм этого процесса: Nrf2 на-
теасома, то модифицированные белки перво-
ходится в комплексе с Keap1(Kelch-like ECH-
начально подвергаются убиквитинизации [21,
associated protein 1); под действием альдегидов
22,23].
происходит диссоциация этого комплекса, Nrf2
Увеличение персистенции карбонильных
транслоцируется в ядро и активирует экспрес-
белков может быть результатом снижения ак-
сию генов, содержащих антиоксидант- респон-
тивности клеточных протеазных систем. Пока-
сивные элементы, что в результате повышает
зано, что снижение функции протеасом сопро-
АОЗ [28].
вождается накоплением поврежденных белков.
На основе карбонилирования белков пред-
Ингибирующий эффект на протеасомы доказан
ложен новый механизм редокс-сигнальных
и для альдегидов. Было предположено, что сни-
событий в ответ лиганд-рецепторные взаимо-
жение протеолиза вызвано последовательной
действия с участием эндотелина -1 [29]. Эн-
аккумуляцией агрегатов белков (агрегасом),
дотелин -1 выпоняет разнообразные функции,
устойчивых к действию протеаз. Эти агрегасо-
стимулируя протеинкиназы, транскрипцион-
мы связываются с протеасомами и блокируют
ные факторы и т.д. Эндотелин -1 также участву-
их. Агрегаты с высоким молекулярным весом
ет в генерации АФК, которые, в свою очередь,
также ингибируют и протеазы [24, 25,26].
способствуют пролиферации гладкомышечных
Сравнительно недавно высказано предпо-
клеток легочных сосудов в процессе формиро-
ложение, что развитие карбонилового стресса
вания легочной гипертензии [30, 31]. Эндотелин
может происходить и в отсутствие избыточной
-1, взаимодействуя с рецептором, способствует
фундаментальные исследования №1, 2010
77
карбонилированию белков через образование
6. Pantke U., Volk T., Schmutzler M., Kox W.J.
АФК. Медиаторами этого процесса являются
et. al. // Free Radic Biol Med. — 1999, 27:1080–
пероксид и железо в реакции Фентона. Бел-
1086.
ки, которые подвергаются карбонилированию
7. Дубинина Е.Е., Морозова М.Г., Леоно-
в ответ на эндотелин -1, уничтожаются про-
ва Н.В. и др. //Вопросы медицинской химии-
теасомами, например, аннексин -1. Аннексин
2000. — Т. 46, № 4. — С. 398 — 409.
выполняет функции промотора апоптоза и ин-
8. Молотов-Лучанский В.Б., Кудрявцев С.С.,
гибитора клеточного роста. Удаление аннек-
Муравлева Л.Е., Газалиев А.М. // Эксперимен-
сина –1 является условием клеточного роста
тальная и клиническая фармакология, 2005. —
и выживания [32, 33].
Т.68, № 5. — С. 47–50.
Естественно, возникает достаточно много
9. Молотов-Лучанский В.Б. Патогенетиче-
вопросов, касающихся механизмов карбони-
ская и клинико-биохимическая характеристика
лирования и возможной регуляции этого про-
поражений почек при сахарном диабете: Авто-
цесса. Так, остается неясным способ организа-
реф. дис. д.м.н. — Караганда, 2007. — 42 с.
ции и регуляции процессов «направленного»,
или «целевого»
карбонилирования
опреде-
10. Койков В.В. Состояние окислительной
модификации
белков
и нуклеиновых
кис-
ленных белков путем увеличения концентра-
лот при злокачественных новообразованиях
ции АФК или активных альдегидов, которые,
(на примере рака легкого): Автореф. дис. канд.
как известно, не обладают избирательностью
мед. наук — Алматы, 2000. — 23 с.
действия. Активно ведется поиск белков, наи-
11. Кулмагамбетов И.Р., Муравлева Л.Е.,
более подверженных ОМБ. Неясно, какой
Койков В.В. и др. // Биомедицинская химия, —
из путей целевой деградации белков преиму-
2007. — Т. 53, Вып. 3. — С. 276–284.
щественно запускается с началом патологи-
12. Жаворонок Т.В., Степовая Е.А., Пети-
ческих изменений в организме и какой из них
на Г.В. и др. //Фундаментальные исследова-
ответствен за прогрессирование хронических
ния. — 2007. — № 12. — С. 383.
заболеваний. Ответы на эти вопросы расширят
13. Castegna A., Aksenov M., Aksenova M.,
понимание механизмов развития наиболее рас-
Thongboonkerd V. et.al. // Free Radic Biol Med. —
пространенных болезней человека и позволят
2002, 33: 562–571.
сформировать новые подходы к их лечению.
Список литературы
1.Dalle-Donne I., Aldini G., Carini M. et. al. //
Cell Mol Med. — 2006. — 10(2): 389–406.
2. Белоногов Р.Н., Титова Н.М., Дыхно Ю.А.
и др. // Сибирский онкологический журнал. —
2009. — № 4(34) — С. 48–53.
3. Stadtman E.R., Levine R.L. Ann N Y Acad
Sci. — 2000, 899: 191–208.
4. Berlett B.S., Stadtman E.R. // J Biol Chem. —
1997, 272:20313–20316.
5. Дедов И.И., Балаболкин М.И., Мамае-
14. Davies K.J., Delsignore M.E., // J. Biol
Chem. — 1987, 262: 9908–9913.
15. Davies K.J., Delsignore M.E., Lin S.W. //
J Biol Chem. — 1987, 262: 9902–9907.
16. Levine R.L. //Free Radic Biol Med.—
2002, 32: 790–796.
17. Grimsrud P. A., Xie H., Griffin T. J.
Bernlohr D.A.
// The Journal
of Biological
Chemistry. — 2008, 283: 21837–21841.
18. Carbone D. L., Doorn J. A., Kiebler Z.,
Ickes B. R., Petersen D. R. // J. Pharmacol. Exp.
Ther. — 2005, 315: 8–15.
ва Г.Г. Сахарный диабет: ангиопатии и окис-
19. Carbone D. L., Doorn J. A., Kiebler Z.,
лительный стресс: пособие для врачей. — М.,
Petersen D. R. // Chem. Res. Toxicol. — 2005, 18:
2003. — 86 с.
1324–1331.
фундаментальные исследования №1, 2010
78
20. England K., Cotter C.T. //Redox Report. —
2005, 10: 237–245.
27. Nyström T. // The EMBO Journal. — 2005,
24: 1311 — 1317.
21. Friguet B., Bulteau A.L., Chondrogianni N.,
28. Walters D.M., Cho H.Y., Kleeberger S.R. //
Conconi M., Petropoulos I. // Ann NY Acad Sci —
Antioxidants & redox signaling. — 2008,
2000, 908: 143–154.
10 (2): 321–32.
22. Shringarpure R., Grune T., Mehlhase J.,
29. Chi Ming Wong, Amrita K. Cheema,
Davies K.J. // J. Biol Chem. 2003, 278: 311– 318.
Lihua Zhang, Yuichiro J. Suzuki // Circulation
23. Shringarpure R., Davies K.J. //Free Radic
Biol Med. — 2002, 32: 1084–1089.
24. Dukan S., Farewell A., Ballesteros M.,
Taddei F., Radman M., Nyström T. // Proc Natl
Acad Sci USA. — 2000, 97: 5746–5749.
25. Grune T., Jung T., Merker K., Davies KJA //
Int J Biochem Cell Biol. — 2004, 36: 2519–2530.
26. Grune T., Merker K., Sandig G., Davies K.J. //
Biochem Biophys Res Commun. — 2003, 305:
709–718.
фундаментальные исследования №1, 2010
Research. — 2008, 102: 310–318.
30. Wedgwood S., Dettman R.W., Black S.M. //
Am J Physiol. — 2001, 281: L1058–L1067.
31. Debret R., El Btaouri H., Duca L. et. al //
FEBS Lett. — 2003, 546: 195–202.
32.Alldridge L.C., Bryant C.E. // Exp Cell
Res. — 2003, 290: 93–107.
33. Cattaruzza M., Hecker M. // Circulation
Research. — 2008, 102:273 — 285.