БИОХИМИЯ, 2020, том 85, вып. 1, с. 49 - 63

УДК 577.121.7

ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ К КИСЛОРОДУ

Обзор

А.Н. Вётош^1,2,3

¹ Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН,

194223 Санкт(Петербург, Россия; электронная почта: vjotnn@yahoo.com

² НГУ физической культуры, спорта и здоровья им. П.Ф. Лесгафта,

190121 Санкт(Петербург, Россия

³ СЗГМУ им. И.И. Мечникова Минздрава России, 195067 Санкт(Петербург, Россия

Поступила в редакцию 09.05.2019

После доработки 29.09.2019

Принята к публикации 20.10.2019

На основании анализа данных литературы описаны молекулярные механизмы рецепции уровня кислорода

в различных компартментах клеток животных. Показано, что внутриклеточная сенсорная трансдукция кис

лорода может осуществляться несколькими способами. Рассмотрены детали функционирования околомем

бранного и цитоплазматического пулов молекулярных конструктов клеток в условиях гипоксии. Обсужда

ются сведения о роли митохондрий в процессах клеточной чувствительности к уменьшению содержания

кислорода. Выявлены подробности взаимного влияния оперативных и хронических внутриклеточных ме

ханизмов восприятия отрицательных градиентов концентрации молекулярного кислорода и их связи с ре

акциями клеточного метаболизма на оксидативный стресс.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: митохондрии, калиевые мембранные каналы, HIF.

DOI: 10.31857/S0320972520010042

Кислород - главный детерминант клеточно

условиях перехода от нормоксии к гипоксии

го метаболизма аэробов. Отдельные клетки и их

in vitro.

небольшие группы, инкубируемые в естествен

За последние 30 лет были намечены контуры

ных или искусственных условиях, получают

описания физиологического кислородного го

жизненно важные ингредиенты путем диффу

меостаза клетки. Молекулярную платформу для

зии. В многоклеточных организмах в распреде

исследований в этой области обеспечили рабо

лении атмосферного кислорода участвуют спе

ты Lopez Barneo et al. [1] и Semenza et al. [2, 3].

циализированные респираторные и циркуля

Дальнейшие исследования данной проблемы

торные транспортные системы.

позволят узнать закономерности простран

Качество распределения кислорода не мо

ственной динамики концентрации кислорода

жет не контролироваться на системном, регио

внутри клетки, предпочтительные «ворота вхо

нарном и клеточном уровне. В последнем слу

да», «воронки утилизации» и возможные «сайты

чае можно ожидать наличие специальных кис

депонирования» О₂.

лородных клеточных сенсоров или цитоцентри

ческих механизмов, участвующих в управлении

клеточным гомеостазом. Наибольшее количе

МИТОХОНДРИИ

ство данных о чувствительности клеток к вариа

циям содержания кислорода получено для кле

Молекулярный кислород является терми

точных элементов тахитрофных тканей в нальным акцептором электронов в процессах

продукции АТР в митохондриях [4-6]. Эти кле

точные органеллы потребляют до 90% кислоро

Принятые сокращения: АФК - активные формы

кислорода; BK_Ca

- кальций зависимые калиевые каналы да, поступающего к клеткам за счет диффузион

высокой проводимости; CSE - цистатионин гамма лиаза;

ного и конвективного массопереноса [5, 7, 8].

FIH - фактор, ингибирующий HIF; НО 2 - гемоксигена

за 2; HIF - фактор, индуцированный гипоксией; PHD -

Названные обстоятельства многие годы сохра

пролилгидроксилаза.

няли за митохондриями статус главной мишени

ВЁТОШ

в «охоте» исследователей за внутриклеточным

обзоров по этой теме считают, что кислородная

кислородным сенсором [6, 9, 10].

чувствительность этапов взаимодействия Н₂О₂ и

Большинство авторов, ставивших себе

тиолсодержащих молекул, в частности глутатио

целью обосновать исходную точку в цепи регу

на, глутаредоксинов, тиоредоксинов и перокси

лирования внутриклеточного кислородного го

редоксинов является скорее свидетельством оп

меостаза, по умолчанию искали гипоксический

тимизации хрупкого баланса этого альянса, чем

сенсор О₂. В качестве такового предполагалось

кислородной внутриклеточной сенсорной

обнаружить молекулярный агрегат или процесс,

трансдукции [14-16].

изменяющий свое состояние при уменьшении

Еще один вариант участия митохондрий в

концентрации молекул кислорода. При этом из

формировании «гипоксического ответа» клетки

менение состояния «предполагаемого сенсора»

может быть основан на сигнальной роли актив

должно было иметь значимые для функциони

ных форм кислорода (АФК), продуцируемых

рования и судьбы клетки последствия.

группой ферментов цепи окислительного фос

Ожидаемый на первый взгляд механизм

форилирования [4, 5, 17-19]. Давно известно,

кислородной рецепции предполагали найти в

что при поступлении избытка кислорода в клет

конечных точках поступления кислорода в

ки продукция АФК увеличивается [20, 21]. В ис

клетки. Надеялись, что он будет основан на уче

следованиях прошлых лет отмечалось уменьше

те запаса АТР. Если объем этого запаса прибли

ние продукции прооксидантов на фоне гипок

зится к минимально допустимому значению,

сических воздействий [22, 23]. Однако с некото

должен включиться режим «тревоги», и клетка

рых пор в работах группы авторов появились

запустит «гипоксический ответ». Вдохновляла

данные об увеличении продукции одного из ви

умозрительная модель Atkinson [11] и предло

дов АФК - перекиси водорода - митохондрия

женная им формула расчета энергетического

ми кардиомиоцитов и гладкомышечных клеток

заряда клетки. Однако до настоящего времени

легочной артерии в условиях гипоксии [24-26].

вышеизложенный механизм обнаружен не был,

Их выводы основывались на результатах не

и в недавнем обзоре Waypa et al. [6] данный ва

скольких лабораторий, где различными метода

риант сохранения нормального кислородного

ми изучали процессы внутриклеточного распре

статуса клетки назван «слишком бедным инже

деления АФК при пониженном содержании

нерным решением».

кислорода [27-29].

В качестве критики АТР зависимого меха

Экспериментально обосновано, что АФК по

низма кислородной рецепции можно привести

мимо прооксидантных обладают и регуляторны

следующие доводы. Во первых, кроме кислоро

ми функциями в широком диапазоне клеточных

да для синтеза АТР требуются различные орга

ответов, включая пролиферацию, дифференци

нические субстраты. Следовательно, количество

ровку, старение клеток, регуляцию транскрип

АТР отражает не только адекватную доставку

ционных факторов и воспалительную реакцию

кислорода. Во вторых, совершенно не ясно как

[19, 30, 31]. Было сделано предположение о воз

отдельная митохондрия и весь митохондриаль

можном участии прооксидантов, в частности

ный пул клетки в целом могут повлиять на диф

Н₂О₂, в механизмах регулирования внутрикле

фузионный массоперенос кислорода в экстра

точного кислородного гомеостаза [32, 33]. В ос

целлюлярной и цитозольной зонах? В третьих,

нову доказательной базы легли результаты пря

по данным прямых измерений содержания кис

мого измерения динамики концентрации АФК с

лорода в клетках, продукция АТР сохраняется

помощью тиолового редокс сенсора roGFP в

вплоть до достижения аноксического порога

гладкомышечных клетках легочной артерии [34].

(2 торр, т.е. 2 мм рт. ст.) [12, 13]. Следовательно,

В условиях нормоксии roGFP был активирован

ориентация на измерение запаса АТР не обеспе

присутствием молекул перекиси водорода в ци

чит детектирование поступления кислорода в

тозоле только на 20%, в межмембранном прост

диапазоне физиологической гипоксии [6].

ранстве митохондрий - на 45% и в матриксе тех

Отсутствие положительных ответов на эти

же органелл - на 70%. При гипоксии активация

вопросы, а также безуспешные 40 летние поиски

roGFP в цитозоле повышалась до 35%, в межмем

АТР зависимого механизма кислородной внут

бранном пространстве - до 65%, а в матриксе

риклеточной рецепции приводят к выводу о том,

митохондрий она заметно снижалась. Сходные

что митохондрии, если они и вовлечены в про

изменения наблюдали [32] на изолированных

цессы регулирования клеточного кислородного

артериальных гладкомышечных клетках. Это

гомеостаза, делают это каким то иным способом.

прямое подтверждение увеличения концентра

Определенный интерес в связи с этим вызы

ции Н₂О₂ в цитозоле при гипоксии. Полученные

вают процессы окисления тиолов перекисью во

Waypa et al. [6] результаты нашли подтверждение

дорода. Однако осторожные в суждениях авторы

в работах других авторов [8, 35-37].

БИОХИМИЯ том 85 вып. 1 2020

ВНУТРИКЛЕТОЧНАЯ КИСЛОРОДНАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ

Рис. 1. Ингибирование в цитозоле метаболизма субъединицы HIF α активными формами кислорода митохондриального

генеза, возникающими под влиянием гипоксии: III - митохондриальный комплекс III; АФК - активные формы кисло

рода; PHD - пролилгидроксилаза; VHL - фактор фон Хиппел-Линдау; HIF - фактор, индуцированный гипоксией; Ub -

убиквитин

Недавно были получены доказательства то

Семейству ферментов пролилгидроксилаз

го, что основным источником АФК, оказываю

(PHD) требуется молекулярный кислород как

щим решающее влияние на кислородный гомео

субстрат для деградации фактора, индуцирован

стазис клетки, является комплекс III в цепи

ного гипоксией (HIF), в частности его изофор

ферментов окислительного фосфорилирования

мы HIF α. Это происходит перманентно в нор

[4, 38, 39]. Последовательность событий по во

моксических условиях. Под влиянием гипоксии,

влечению митохондриальных АФК в организа

т.е. при уменьшении концентрации молекул

цию клеточного ответа на гипоксию представле

кислорода в цитозольном окружении PHD2 ак

на на рис. 1. Под влиянием гипоксии комплек

тивность этого фермента снижается, и деграда

сы III дыхательных цепей митохондрий выделя

ция HIF прекращается. В этом случае молекулы

ют часть супероксид анион радикалов в межмем

индуцированного гипоксией фактора переме

бранное пространство [10, 40]. В этом митохон

щаются в ядро клетки, испытывающей недо

дриальном компартменте при участии суперок

статок кислорода, запускается транскрипция се

сиддисмутазы названный радикал превращается

мейства «гипоксических» генов и формируется

в Н₂О₂ [41, 42]. Далее молекулы перекиси водо

клеточный гипоксический ответ [43].

рода выходят в цитозоль, где оказывают модули

Каким же образом увеличение концентра

рующее влияние на активность фермента про

ции АФК в цитозоле при гипоксии может при

лилгидроксилаза 2 [4, 9, 10].

водить к ингибированию активности PHD2 и

БИОХИМИЯ том 85 вып. 1 2020

ВЁТОШ

стабилизации HIF? По мнению Waypa et al. [6] и

Авторы обзора констатировали, что выключение

их единомышленников [44, 45], АФК успевают

BK_Ca при уменьшении парциального давления

частично денатурировать молекулы ферментов,

кислорода в инкубационном растворе до значе

что ведет к уменьшению их активности.

ний >20 торр не вызывает сомнений. Это оказа

Митохондрии эукариотических клеток до

лось справедливо для широкого класса цито

недавнего времени оставались наиболее вероят

морфных моделей (гладкомышечных клеток ар

ными кандидатами на роль места для кислород

териальных сосудов, нейронов коры, гиппокам

ных сенсоров [4, 6, 10]. На сегодняшний день

па и черной субстанции, клеток 1 го типа каро

собрано достаточное количество доказательств

тидных тел, клеток нейроэпителиальных тел в

того, что побочные продукты биоэнергетичес

бифуркациях бронхов). Важно отметить, что

кой активности митохондрий - АФК - могут

BK_Ca реагировали на гипоксию как в составе не

принимать модулирующее участие в цитозоль

поврежденной клеточной мембраны целых кле

ных процессах формирования клеточного отве

ток, так и при регистрации в режиме patch clamp.

та на гипоксию [6, 8, 39]. Прооксиданты пред

В обзоре было высказано предположение о том,

стают в этом случае не в качестве О₂ сенсоров, а

что и другие типы ионных каналов, возможно,

скорее в роли О₂ маркеров. В современных тер

испытывают модулирующее влияние со стороны

минах АФК митохондриального генеза являют

молекул кислорода.

ся участниками сигнальных путей, обеспечиваю

На втором этапе исследований кислородной

щих сохранение кислородного гомеостаза клет

чувствительности К⁺ каналов специалисты за

ки в условиях недостатка кислорода [4, 10].

интересовались конструкцией этих молекуляр

Можно ожидать, что у этой сигнальной сети бо

ных агрегатов. Искали домены, непосредствен

лее чем один вход.

но отвечающие за сенсорную трансдукцию кон

центрации молекул кислорода в околоканаль

ном пространстве в процессе исполнительного

КИСЛОРОД ЧУСТВИТЕЛЬНЫЕ ИОННЫЕ

акта закрытия селективных переносчиков ионов

КАНАЛЫ КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН

К+ [49]. Группа кислород чувствительных калие

вых каналов, исследованных авторами, включа

Плазматическая мембрана клетки является

ла три семейства, содержащие более 14 видов

первым барьером на пути молекулярного кисло

[50, 51]. Однако ни в α , ни в β субъединицах

рода к сайтам его внутриклеточного использо

различных типов калиевых каналов такие кис

вания. По мнению Бенджамина Льюина [46],

лород чувствительные домены найдены не бы

очень маленькие нейтральные молекулы кисло

ли [49, 51].

рода легко преодолевают бислойную липидную

На третьем этапе появились зачатки так на

основу клеточных мембран. Общим свойством

зываемой «мембранной гипотезы» [47, 49, 52].

всех живых клеток является наличие регулируе

Эта гипотеза формировалась, как попытка от

мого ионного градиента на плазматических

ветить на сформулированные к началу XXI века

мембранах. Отражением динамики этого ла

вопросы. Почему только калиевые каналы

бильного процесса является мембранный по

чувствительны к изменениям концентрации

тенциал, который создается многочисленными

О₂? Как они могут длительное время работать

классами встроенных в билипидный слой ион

без митохондриальной поддержки при регист

ных каналов. При формировании мембранного

рации в режиме patch clamp? Являются ли BK_Ca

потенциала в клетках животных главным обра

каналы кислородными сенсорами или только

зом участвуют ионы К⁺, Na⁺ и Cl^-. Перенося

эффекторным звеном в реакции на гипоксию?

щие их каналы испытывают влияние многих

Почему реакция калиевых каналов на уменьше

факторов (напряженность электрического поля,

ние концентрации кислорода происходит очень

концентрация ионов Ca²⁺, H⁺, молекул АТР и

быстро?

т.д.) [47].

Различные группы исследователей предпо

После 1988 года в перечень влияний, модули

ложили существование неизвестных белковых

рующих активность мембранных ионных кана

ансамблей, прямо или дистантно связанных с

лов, переносящих К⁺, попал молекулярный кис

кислород чувствительными калиевыми ионны

лород. Информация, опубликованная Lopez

ми каналами [47, 49]. Кандидатами в члены

Barneo et al. [1], была неожиданной и в последую

этих ансамблей называли глутатион, активиро

щие годы тщательно проверялась. Уже спустя 9

ванную протеинкиназу, гемоксигеназу 2,

лет появился первый обзор о влиянии недостат

NADP(H) оксидазу и другие белки [47, 53, 54].

ка кислорода на кальций зависимые калиевые

Было показано, что BK_Ca тесно связаны с ге

каналы высокой проводимости (BK_Ca), который

моксигеназой 2. В экспериментах, проводимых

насчитывал 73 публикации по данной теме [48].

на клетках I го типа каротидных тел крыс, ис

БИОХИМИЯ том 85 вып. 1 2020

ВНУТРИКЛЕТОЧНАЯ КИСЛОРОДНАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ

пользуя масс спектрометрический анализ и ко

Взаимодействие мембранных калиевых ка

иммунопреципитацию, установили тесную ассо

налов различных семейств с ассоциированными

циацию молекулярной конструкции кальций за

белками представлено на рис. 2. Гемоксигеназа 2

висимых калиевых каналов высокой проводи

осуществляет деградацию гема, превращая его в

мости с HO 2 [55]. Катаболизируя геминовые мо

биливердин, ион двухвалентного железа и мо

лекулы, гемоксигеназа 2 продуцирует монооксид

нооксид углерода. Кофакторами деградации ге

углерода, биливердин и Fe²⁺. При нормоксии в

ма при нормоксии выступают NADP(H) и моле

качестве кофакторов участвуют NADP(H) и мо

кулярный кислород [61]. Вышеназванные про

лекулярный кислород. Показано, что монооксид

цессы происходят в том числе и в гломусных

углерода при этом выступает как активатор BK_Ca

клетках каротидных тел [56, 62].

каналов [56]. При гипоксии, когда кислородный

Молекулы CO оказывают активирующее

кофактор становится дефицитным, тоническое

действие на кальций зависимые калиевые кана

укрепляющее влияние монооксида углерода на

лы высокой проводимости [57, 63, 64]. Гипоксия

BK_Ca ослабевает, и их проводимость для ионов

уменьшает продукцию молекул монооксида уг

калия снижается. Молекулы гемоксигеназы 2

лерода в каротидных телах. Такое же действие

выступают, таким образом, в качестве кислород

производит блокатор НО 2 цинкпротопорфи

ного сенсора при кальций зависимых калиевых

рин 9 [62]. Эти СО дефицитные состояния ве

каналах высокой проводимости. Другие группы

дут к закрытию BK_Ca [51].

авторов сумели показать ингибирующее участие

Таким образом, уменьшение концентрации

H₂S в управлении BK_Ca на фоне гипоксии в клет

молекулярного кислорода в цитоплазматичес

ках I го типа каротидных тел мышей, крыс и че

ком окружении конститутивной НО 2, ассоции

ловека [57, 58]. Это заставило включить в объяс

рованной с BK_Ca, понижает ее каталитическую

нительную модель кислородной чувствительнос

активность. Это приводит к ограничению син

ти калиевых каналов два внутриклеточных газо

теза внутриклеточного газотрансмиттера - мо

трансмиттера: СО и H₂S [52].

нооксида углерода, который является активато

Позднее мембранная гипотеза приобрела

ром BK_Ca. Дефицит СО в ходе развития гипок

черты необходимого оформления, если не за

сического состояния клетки ведет к закрытию

вершения [51, 59]. Ионные каналы плазмати

калиевых каналов.

ческих мембран играют значительную роль в

Это нарушает динамику формирования

процессах сенсорной трансдукции различной

мембранного потенциала гломусных клеток ка

модальности: либо как первичные сенсорные

ротидных тел и некоторых других кислород

элементы, либо как последующие звенья эф

чувствительных клеточных конструктов.

фекторной сети [60]. Калиевые каналы клеток

Следовательно, гемоксигеназа 2 клеток I го

I го типа каротидных тел позвоночных являют

типа каротидных тел позвоночных является тем

ся примером каналов с эффекторной специали

молекулярным внутриклеточным объектом, в

зацией. Среди них семейства Kv3, Kv4, BK_Ca и

котором происходит сенсорная трансдукция

TASK [50, 52]. Доказано, что проводимость ка

концентрации внутриклеточного кислорода в

лиевых каналов этих типов зависит от концен

управляющий сигнал для эффекторов - BK_Ca.

трации молекулярного кислорода на поверхнос

Свою версию мембранной гипотезы авторы

ти плазматических мембран содержащих их кле

считают доказанной [51]. Ее эвристическая сила

ток [1, 51]. Открытым оставался вопрос: «Какая

нашла подтверждение в исследовании на сис

часть молекулярного конструкта ионного кана

темном уровне. У молодых здоровых испытуе

ла или ассоциированных с функционированием

мых была отмечена редукция вентиляторного

канала сателлитных молекул является кисло

ответа на гипоксию после кратковременной ин

родным сенсором?».

галяции избытка монооксида углерода [65].

Авторы мембранной гипотезы Chris Peers и

В дополнение к CO зависимому механизму

Nanduri Prabhakar считают, что калиевые кана

модуляции активности калиевых каналов гло

лы являются эффекторной частью сигнальной

мусных клеток каротидных тел существует вто

сети в чувствительных к кислороду цитосисте

рая интрацеллюлярная сигнальная цепь. Цент

мах [49, 51, 52]. Восприимчивыми же к недо

ральным звеном этой цепи является цистатио

статку кислорода следует считать процессы

нин гамма лиаза [66, 67]. Данный фермент син

функционирования ассоциированных с калие

тезирует внутриклеточный газотрансмиттер

выми каналами макромолекул [47, 53, 54]. Сре

H₂S, который экспрессируется в гломусных

ди них НО 2, NADP(H), цистатионин гамма

клетках каротидных тел позвоночных [51, 57,

лиаза (CSE), гуанилатциклаза (GC), цикличес

68]. В условиях нормоксии синтез молекул серо

кий гуанозинмонофосфат (cGMP) и протеин

водорода минимален, но при гипоксии генера

киназа G (PKG).

ция H₂S увеличивается пропорционально на

БИОХИМИЯ том 85 вып. 1 2020

ВЁТОШ

Рис. 2. Взаимодействие мембранных калиевых каналов различных семейств с ассоциированными белками:

- ассоции

рованные с каналами белки; → - активирующее действие;

- блокирующее действие;

- везикулы с медиатором, про

дуцируемым гломусными клетками каротидных тел; AMPK - АМФ активируемая протеинкиназа; CSE - цистатионин

гамма лиаза; HO 2 - гемоксигеназа 2; PKG - протеинкиназа g; MgATP - активируемая магнием АТРаза; cGMP - цик

лический гуанилатмонофосфат; GC - гуанилат циклаза

растанию дефицита кислорода [57, 69]. У нокау

Совокупность накопленных эксперименталь

тированных по CSE мышей отсутствует увели

ных данных позволяет считать продукт деятель

чение синтеза H₂S в ответ на гипоксию. Блока

ности цистатионин гамма лиазы (H₂S) обяза

тор CSE - пропаргил L глицин также нивели

тельным участником процесса формирования

рует продукцию внутриклеточного сероводоро

клеточного ответа каротидных тел на гипокси

да [59]. Сегодня принято считать, что CSE явля

ческий стимул.

ется главным продуцентом внутриклеточного

В 2010 году Li et al. [58] первыми выявили

H₂S в ответ на гипоксию [51]. Искусственное

влияние избытка внутриклеточного сероводоро

увеличение количества молекул сероводорода в

да на ионные каналы гломусных клеток каротид

клетках каротидных тел активирует этот орган

ных тел. Позднее было уточнено, что мишенью

пропорционально степени воздействия [57, 70].

для H₂S являются BK_Ca, но влияние сероводоро

БИОХИМИЯ том 85 вып. 1 2020

ВНУТРИКЛЕТОЧНАЯ КИСЛОРОДНАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ

да на них отличается от влияния монооксида уг

условиях [76]. Установлено, что стимулирующее

лерода [59]. Внутриклеточный сероводород про

влияние NO на BK_Caпередается от монооксидов

воцирует вход в гломусные клетки ионов каль

азота, проникающих в гломусные клетки через

ция [70]. Этот же газотрансмиттер оказывает ин

гуанилатциклазу, циклический гуанозинмоно

гибирующее влияние на калиевые каналы се

фосфат и далее через протеинкиназу g [77, 78].

мейства TASK через угнетение процессов окис

Давно известно, что самый оперативный

лительного фосфорилирования в митохондриях

(быстрый) клеточный ответ на острую гипоксию

гломусных клеток [70, 71]. Однако главной ми

свойственен гломусным клеткам каротидных

шенью для продукта каталитической деятель

тел. Сегодня не вызывает сомнения тот факт,

ности CSE - сероводорода - в клетках I го типа

что в этом ответе участвуют мембранные калие

каротидных тел являются каналы BK_Ca [59, 72].

вые каналы нескольких семейств. BK_Ca фигури

Таким образом, в условиях нормоксии фер

рует сразу в нескольких сигнальных цепях ги

мент CSE малоактивен. На фоне нарастающей

поксического клеточного метаболизма в качест

внутриклеточной гипоксии его активность рас

ве эффекторного звена. Кислородным сенсором

тет пропорционально дефициту кислорода, что

при BK_Ca является гемоксигеназа 2. Наряду с

сопровождается повышением интенсивности

этим хорошо известны молекулярные механиз

генерации H₂S. Этот газотрансмиттер ингибиру

мы цитоплазматического ответа на хроническое

ет активность BK_Ca и косвенно через митохон

гипоксическое воздействие.

дрии уменьшает проводимость калиевых кана

лов иных семейств, в частности TASK. Следова

тельно, цистатионин гамма лиаза клеток I го

ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ

типа каротидных тел позвоночных является еще

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ К КИСЛОРОДУ

одним молекулярным внутриклеточным объек

том, в котором происходит сенсорная трансдук

Каротидные тела являются примером сис

ция концентрации интрацеллюлярного кисло

темного «сенсора на кислород» [79, 80]. В свою

рода в управляющий сигнал для эффекторов -

очередь, гемоксигеназа 2 имеет статус ассоции

BK_Ca. Можно констатировать, что в клетках I го

рованного с плазматической мембраной «кис

типа каротидных тел позвоночных имеется бо

лородного сенсора» для гломусных клеток I го

лее чем один механизм сенсорной трансдукции

типа каротидных тел [51]. Наряду с этим в ци

интрацеллюлярной концентрации молекуляр

топлазме всех клеток Metazoa имеется сигналь

ного кислорода в изменении активности калие

ный пул, центральным звеном которого являет

вых каналов. СО и H₂S газотрансмиттеры

ся HIF - фактор, индуцированный гипоксией

действуют на эффекторную часть кислород

[81]. В этом пуле следует искать еще один кле

чувствительной сигнальной цепи по ходу нарас

точный сенсор на кислород.

тания гипоксического стимула противополож

История открытия и исследования HIF пула

ным образом. При этом концентрация молекул

кратко изложена в работе Szewczak [82]. Много

СО уменьшается, и BK_Ca лишаются поддержи

летнее изучение регуляторной роли эритропоэ

вающего влияния, а концентрация H₂S растет,

тина (Epo) привело к открытию кодирующего

что стимулирует закрытие калиевых каналов.

его гена [83], а вслед за этим активируемого ги

Клетка при гипоксии оказывается под надеж

поксией фактора HIF цитоплазматической ло

ным двойным контролем.

кализации, запускающего транскрипцию этого

По мнению авторов последней версии

гена [2]. Последующий анализ показал, что HIF

«мембранной гипотезы», третий внутриклеточ

запускает массивный транскрипционный кас

ный газотрансмиттер - NO - также участвует в

кад генов в клетках млекопитающих в ответ на

регулировании внутриклеточного кислородного

уменьшение доставки кислорода [3, 84].

гомеостазиса. Давно известно, что гипоксия

Состав, структура и функционирование

уменьшает активность NO синтазы (NOS), в

HIFs обсуждаются в многочисленных обзорах

том числе ее нейрональной изоформы nNOS в

[85-87]. Схематически эти данные представле

гломусных клетках каротидных тел [73]. По

ны на рис. 3.

следняя не экспрессируется в клетках I го типа

При нормоксии напряжение кислорода в

и, по замыслу авторов, попадает в них из окру

цитоплазме клетки находится в пределах 20-

жающих эти клетки эфферентных отростков

7 торр (рис. 3, а). В таких условиях резидентно

глоссофаренгиального нерва [51, 73, 74]. Есть

присутствующие в клетках молекулы HIF под

данные о том, что искусственное увеличение ко

вергаются протеосомальной деградации. На

личества молекул NO в клетках каротидных тел

первом этапе катаболизма HIF на него, в свою

активирует BK_Ca [75]. Однако эти результаты не

очередь, действует молекулярный фактор FIH

были подтверждены в иных экспериментальных

(фактор ингибирования HIF). Он отщепляет от

БИОХИМИЯ том 85 вып. 1 2020

ВЁТОШ

Рис. 3. Схема цитоплазматического кислород чувствительного пула метаболитов с участием HIF: нормоксия (а), мягкая

гипоксия (б) и жесткая гипоксия (в); 2 OG - 2 оксиглутарат; Asc - аскорбиновая кислота; FIH - фактор, ингибирующий

HIF; PHD - домен пролилгидроксилазы; Succ - янтарная кислота; pVHL - белок супрессии опухоли фон Хиппел-Лин

дау; Ubi - убиквитин; P300/CBP - коактиватор транскрипции

HIF аспарагиновый фрагмент. Реакция идет в

холи фон Хиппел-Линдау и при участи убикви

присутствии достаточного количества кислоро

тина попадает в протеасомы, где подвергается

да, 2 оксоглутарата, ионов двухвалентного же

окончательной фрагментации [80, 84].

леза и аскорбиновой кислоты [87].

На исходном этапе развития внутриклеточ

Наряду с этим на начальном этапе протеоли

ной мягкой гипоксии при умеренном снижении

за молекул HIF вступает в действие пролилгид

напряжения кислорода в цитоплазме катабо

роксилаза, которая присоединяет к двум моле

лизм HIF изменяется (рис. 3, б). Выпадает звено

кулам пролина в α субъединице ОН группы. В

с участием пролилгидроксилазы. Полученные

результате образуется диоксид углерода и янтар

промежуточные продукты HIF α и HIF β не до

ная кислота [88]. На следующем этапе деграда

ходят до протеасом, и окончательный цикл про

ции HIF α под влиянием белка супрессии опу

теолиза не получает завершения [84, 87].

БИОХИМИЯ том 85 вып. 1 2020

ВНУТРИКЛЕТОЧНАЯ КИСЛОРОДНАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ

Метаболизм с участием HIF на фоне тяжелой

клетках млекопитающих, а HIF 2α и HIF 3α

гипоксии представлен на рис. 3, в. В условиях не

присутствуют в некоторых видах эндотелия и со

достатка кислорода начальные этапы протеолиза

единительной ткани [80, 85, 97]. Кроме кислоро

с участием FIH и PHD становятся невозможны

да на метаболиты HIF пула действуют АФК, ок

ми. Более жесткая гипоксия ингибирует гидрок

сид азота, HSP90 и другие молекулы, обладаю

силирование аспарагинового фрагмента HIF.

щие сигнальным потенциалом [6, 10]. Рассмот

HIF α и HIF β в этом случае способны совмест

рим детали этих регуляторных процессов.

но с коактиватором транскрипции P300/CBP

включать процессы транскрипции генов мише

ней, чья компетенция относится к участию в пре

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОСНОВНЫХ

одолении кислородного дефицита [80, 84, 85].

МЕХАНИЗМОВ КИСЛОРОДНОЙ

По последним оценкам массивный тран

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ КЛЕТКИ

скрипционный каскад, инициируемый HIF, мо

жет затрагивать до 1500 генов [84, 89, 90]. Ско

Митохондриальные, мембранные и цито

рость реагирования клеток на гипоксию с во

плазматические механизмы обеспечения кисло

влечением метаболического HIF пула не высо

родного гомеостаза клетки, являясь активными

ка. Самые ранние результаты активирования ге

участниками целлюлярного метаболизма, не

нома в ответ на внутриклеточный недостаток

могут быть свободными от взаимного влияния

кислорода проявляются через час [91]. Пик

друг на друга [49, 54]. К 2008 году Ward [54] раз

экспрессии генов в условиях хронической внут

личал три возможных механизма влияния кис

риклеточной гипоксии наступает через 24 ч [80].

лород чувствительных процессов в митохон

Нокаутированные по HIF мыши погибают на

дриях на пластический и энергетический кле

10 й день эмбрионального развития, что свиде

точный метаболизм. За прошедшие годы сложи

тельствует о востребованности этого механизма

лось мнение, что основное влияние митохон

регулирования кислородного гомеостаза клеток

дрий на цитоплазматические и мембранные ме

уже на пренатальном этапе [92].

ханизмы кислородной чувствительности клетки

Анализ изменений метаболизма клеток

осуществляется главным образом через актив

Metazoa в ответ на уменьшение концентрации

ные формы кислорода [4, 6, 8, 39].

кислорода показывает наличие кластера из двух

Метаболический пул цитоплазматических

сотен кислород чувствительных белков, запускаю

процессов, в которых мастером регулятором яв

щих каскады посттрансляционной модификации

ляется HIF, представлен на рис. 1 и 3. Активные

других белков. Гидроксилазы - один из важней

формы кислорода (Н₂О₂) выходят из митохон

ших элементов этого кластера. Среди них выде

дрий (комплекс III), диффундируют в цитозоле

ляют пролилгидроксилазы, которые гидроксили

и оказывают супрессирующее влияние на актив

руют пролин в белковых молекулах [81, 93].

ность фермента пролилгидроксилаза 2 [41, 42].

Домен PHD, ассоциированный с трансляци

На фоне развивающейся гипоксии этот процесс

ей молекул HIF в цитоплазме клеток, в условиях

усиливается. Как следствие, прекращается де

клеточной нормоксии постоянно гидроксилиру

градация HIF. В этом случае разновидности мо

ет пролин α субъединицы этой гетеродимерной

лекул индуцированного гипоксией фактора пе

молекулы. Гидроксилирование осуществляется

ремещаются в ядро клетки, испытывающей не

сначала в позиции Р564, а затем в Р402, что при

достаток кислорода. Запускается транскрипция

водит к кислород зависимой деградации HIF 1α

семейства «гипоксических» генов и формирует

[91, 94]. Таким образом, PHD является ближай

ся клеточный гипоксический ответ [43]. Такого

шим (проксимальным) регулятором активности

рода механизм не может быть быстрым. Следо

HIF [9]. Это заставляет нас считать цитоплазма

вательно, реакция на гипоксию при участии

тическим сенсором на кислород не HIF, а HIF

HIF пула оказывается эффективной в случае

гидроксилазы, в том числе PHD [93, 95].

хронического недостатка кислорода.

Центральным звеном сигнального пула с

Наряду с этим имеет место влияние HIF пу

участием HIF является семейство индуцирован

ла на процессы окислительного фосфорилиро

ных гипоксией транскрипционных факторов

вания в митохондриях [80, 98]. Транскрипция

(HIF_s). Этот фактор представляет собой гетероди

гена, кодирующего киназу пируватдегидрогена

мерный молекулярный конструкт, состоящий из

зы, запускается под влиянием HIF. Эта киназа

кислород чувствительных субъединиц HIF α и

фосфорилирует субъединицу пируватдегидроге

конститутивных субъединиц HIF β [4, 96]. У выс

назы Е1α, тем самым инактивируя этот фермент

ших многоклеточных встречаются три вариации

ный комплекс, который конвертирует пируват в

HIF α субъединиц: HIF 1α, HIF 2α и HIF 3α.

ацетил коэнзим А. Под влиянием HIF это про

Первый экспрессируется во многих, если не всех

исходит как за счет депривации по глюкозе, так

БИОХИМИЯ том 85 вып. 1 2020

ВЁТОШ

и путем ограничения использования жирных

Детальные изменения в мембранно связан

кислот. В последнем случае HIF 1 индуцирует

ных микродоменах, объединяющих каналы и

транскрипцию микроРНК miR210, которая, в

митохондрии, интенсивно исследуются в насто

свою очередь, уменьшает экспрессию железо

ящее время. Не меньший интерес специалистов

серосодержащих каркасных белков ISCU1/2.

вызывают взаимодействия чувствительных к не

Как следствие, происходит ингибирование ак

достатку кислорода мембранных механизмов и

тивности цикла трикарбоновых кислот, сниже

HIF пула цитоплазмы клетки.

ние интенсивности окислительного фосфори

Количество экспериментальных исследова

лирования и редукция потребления кислорода

ний взаимного обмена сигналами между кисло

митохондриями [99, 100]. Таким образом, HIF

род чувствительными каналами плазматичес

на фоне развития гипоксии в соответствии с

кой мембраны клетки и HIF пулом невелико.

принципом обратной связи оказывает влияние

Нам не удалось найти ни одного обзора на эту

на источник внутриклеточных АФК.

тему. В 2006 году Tajima et al. [104] привели дока

Антиоксидантный потенциал клеток также

зательства влияния HIF пула клеток культуры

находится под влиянием HIF пула. В условиях

меланомы человека в ходе длительной гипоксии

гипоксии HIF 1 и HIF 2 активируют тран

на увеличение проводимости кальций зависи

скрипцию соответствующих генов, что ведет к

мых калиевых каналов (K_Ca). Это происходило

запуску в митохондриях процессов дополни

под действием избыточной экспрессии HIF 1α

тельного синтеза глутатиона - базового компо

в ответ на недостаток кислорода в среде культи

нента антиоксидантной системы [101].

вирования. Позднее аналогичный эффект был

Следовательно, HIF пул и митохондриаль

получен на культурах гладкомышечных клеток

ный метаболизм клетки сопряжены системой

легочной артерии крыс для семейства потенци

обратных связей, обеспечивающих сохранение в

ал зависимых калиевых каналов (К_v) [105] и

определенных пределах ее кислородного гомео

WEHI 231B клеток мыши для TASK 2 калиевых

стазиса. На сегодняшний день известны два

каналов [106].

контура обратной связи (прооксидантный и ан

Имеются отдельные сведения о том, что в ус

тиоксидантный) между митохондриальными и

ловиях продолжительной гипоксии молекулы

HIF пулами клетки, которые балансируют их

HIF 2α осуществляют репрессию генов, ответ

взаимное влияние. Схематически это представ

ственных за синтез β₁ субъединицы BK_Ca [107].

лено на рис. 4.

В последние годы появились данные о пря

Взаимодействия митохондриального мета

мом влиянии пролилгидроксилаз из HIF пула

болического пула и мембранно агрегированных

на катионные каналы семейства TRP (TRPA1 и

механизмов кислородного гомеостаза клетки

TRPV3). В условиях нормоксии пролилгидрок

исследованы в меньшей степени [4, 52, 102]. В

силазы не только направляют HIF на путь про

условиях быстро развивающейся гипоксии

теосомальной деградации, но и ингибируют ак

комплекс I в цепи ферментов окислительного

тивность TRPA1. При снижении напряжения

фосфорилирования увеличивает продукцию

кислорода в цитоплазме это ингибирование ос

АФК (О₂·^-) [4, 103]. Активные формы кислоро

лабевает, и в условиях гипоксии происходит его

да, в свою очередь, ингибируют проводимость

отмена [108, 109].

кальциевых каналов, расположенных на плаз

Полученные данные свидетельствуют о про

матической мембране клетки [4]. Повышение

тивоположных тенденциях (активирующих и

концентрации АФК вблизи внутренней поверх

тормозящих) влияния HIF пула клетки на

ности плазматической мембраны блокирует

мембранно связанные механизмы регулирова

проводимость ионов калия через TASK каналы

ния клеточного кислородного гомеостаза. Для

[54]. Эта же причина ведет к закрытию кальций

прояснения приоритетов данного механизма

зависимых калиевых каналов высокой проводи

регуляции требуются дальнейшие исследова

мости [6]. Таким образом, можно считать дока

ния [110].

занным, что АФК в условиях быстро развиваю

Данных об ответном влиянии кислород

щейся гипоксии оказывают тормозное влияние

чувствительных калиевых каналов плазматичес

на проводимость кальциевых и калиевых кана

кой мембраны клеток на HIF пул найти не уда

лов, расположенных поблизости от ассоцииро

лось. Отсутствие таких данных можно объяс

ванных с этими каналами митохондрий [102,

нить колоссальной разницей в скорости реаги

103]. Следовательно, побочные прооксидант

рования ионных каналов (несколько секунд) и

ные продукты метаболизма митохондрий на фо

метаболизма HIF пула (десятки минут) на ги

не гипоксии способствуют деполяризации клет

поксический стимул. В этом случае медленные

ки за счет ингибирования нескольких семейств

процессы могут оказывать эффективное влия

калиевых каналов (рис. 4).

ние на быстрые, но не наоборот.

БИОХИМИЯ том 85 вып. 1 2020

ВЁТОШ

ния кислорода в клеточном объеме. На фоне

же встречаться внутри клеток при экспонирова

быстроразвивающейся гипоксии детекцию не

нии организма в условиях гипероксии, но их

достатка кислорода осуществляет околомем

влияние реализуется пока еще недостаточно

бранный пул калиевых каналов с ассоциирован

изученными способами [111-113].

ными белками. В условиях хронической гипоксии

клеточным ответом на уменьшение концентра

ции кислорода управляет метаболический пул,

Благодарности. Автор выражает благодар

мастером регулятором в котором является HIF.

ность Л.Б. Буравковой за полезные и конструк

Влияние митохондриального метаболизма на

тивные обсуждения в ходе выполнения работы.

эти два полюса кислородно сенсорной актив

Конфликт интересов. Автор заявляет об отсут

ности ограничиваются модуляцией через АФК.

ствии конфликта интересов в финансовой или

Следует особо отметить, что вышеперечислен

какой либо иной сфере.

ные внутриклеточные механизмы вполне ус

Соблюдение этических норм. Настоящий об

пешно реализуют реакции клеток на недостаток

зор не содержит описания выполненных авто

кислорода. Избыточные по отношению к норме

ром исследований с участием людей или ис

концентрации окислителя, очевидно, могут так пользованием животных в качестве объектов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Lopez Barneo, J., Lopez Lopez, J., Urena, J., and

sured by delayed fluorescence of endogenous protoporphyrin

Gonzalez, C. (1988) Chemotransduction in the carotid

IX, Nat. Methods, 3, 939-945, doi: 10.1038/nmeth940.

body: K⁺ current modulated by PO₂ in type I chemorecep

14.

Быстрова М.Ф., Буданова Е.Н. (2007) Перекись водо

tor cells, Science, 241, 580-582.

рода и пероксиредоксины в редокс регуляции внут

Semenza, G., and Wang, G. (1992) A nuclear factor induced

риклеточной сигнализации, Биологические мембраны,

by hypoxia via de novo protein synthesis binds to the human

24, 115-125.

erythropoietin gene enhancer at a site required for transcrip

15.

Октябрьский О.Н., Смирнова Г.В. (2007) Редокс регу

tional activation, Mol. Cell. Biol., 12, 5447-5454.

ляция клеточных функций, Биохимия, 72, 158-174.

Semenza, G., Roth, P., Fang, H., and Wang, G. (1994)

16.

Hopkins, B.L., and Neumann, C.A. (2019) Redoxins as

Transcriptional regulation of genes encoding glycolytic

gatekeepers of the transcriptional oxidative stress response,

enzymes by hypoxia inducible factor 1, J. Biol. Chem., 269,

Redox Biol., 21, 101-104, doi: 10.1016/j.redox.2019.101104.

23757-23763.

17.

Quinlan, C., Perevoshchikova, I., Hey Mogensen, M.,

McElroy, G., and Chandel, N. (2017) Mitochondria con

Orr, A., and Brand, M. (2013) Sites of reactive oxygen species

trol acute and chronic responses to hypoxia, Exp. Cell Res.,

generation by mitochondria oxidizing different substrates,

356, 217-222, doi: 10.1016/j.yexcr.2017.03.034.

Redox. Biol., 23, 304-312, doi: 10.1016/j.redox.2013.04.005.

Скулачев В.П., Богачев А.В., Каспаринский Ф.О. (2010)

18.

Goncalves, R., Bunik, V., and Brand, M.

(2016)

Мембранная биоэнергетика, Изд во МГУ, Москва.

Production of superoxide/hydrogen peroxide by the mito

Waypa, G., Smith, K., and Schumacher, P. (2016) O₂ sensing,

chondrial 2 oxoadipate dehydrogenase complex, Free

mitochondria and ROS signaling: the fog is lifting, Mol. Aspects

Radic. Biol. Med., 91, 247-255, doi: 10.1016/j.freeradbiomed.

Med., 47-48, 76-89, doi: 10.1016/j.mam.2016.01.002.

2015.12.020.

Santore, M., McClintock, D., Lee, V., Budinger, G., and

19.

Sena, L., and Chandel, N. (2012) Physiological roles of

Chandel, N. (2002) Anoxia induced apoptosis occurs

mitochondrial reactive oxygen species, Mol. Cell, 48,

through a mitochondria dependent pathway in lung

158-167, doi: 10.1016/j.molcel.2012.09.025.

epithelial cells, Am. J. Physiol. Lung Cell. Mol. Physiol.,

20.

McCord, J. (1985) Oxygen derived free radicals in postis

282, L727-L734, doi: 10.1152/ajplung.00281.2001.

chemic tissue injury, New Engl. J. Med., 312, 159-163,

Solaini, G., Baracca, A., Lenaz, G., and Sgarbi, G. (2010)

doi: 10.1056/NEJM198501173120305.

Hypoxia and mitochondrial oxidative metabolism,

21.

Cross, C., Halliwell, B., Borish, E., Pryor, W., Ames, B.,

Biochim. Biophys. Acta., 1797, 1171-1177, doi: 10.1016/

Saul, R., McCord, J., and Harman, D. (1987) Oxygen rad

j.bbabio.2010.02.011.

icals and human disease, Ann. Intern. Med., 107, 526-545.

Bell, E., and Chandel, N. (2007) Mitochondrial oxygen

22.

Archer, S., Peterson, D., Nelson, D., DeMaster, E., Kelly, B.,

sensing: regulation of hypoxia inducible factor by mito

Eaton, J., and Weir, E. (1989) Oxygen radicals and antioxidant

chondrial generated reactive oxygen species, Essays

enzymes alter pulmonary vascular reactivity in the rat lung, J.

Biochem., 43, 17-27, doi: 10.1042/BSE0430017.

Appl. Physiol., 66, 102-111, doi: 10.1152/jappl.1989.66.1.102.

10.

Hamanaka, R., and Chandel, N. (2009) Mitochondrial reac

23.

Michelakis, E., Archer, S., and Weir, E. (1995) Acute

tive oxygen species regulate hypoxic signaling, Curr. Opin.

hypoxic pulmonary vasoconstriction: a model of oxygen

Cell Biol., 21, 894-899, doi: 10.1016/j.ceb.2009.08.005.

sensing, Physiol. Res., 44, 361-367.

11.

Atkinson, D. (1968) The energy charge of the adenylate

24.

Chandel, N., McClintock, D., Feliciano, C., Wood, T.,

pool as a regulatory parameter. Interaction with feedback

Melendez, J., Rodriguez, A., and Schumacker, P. (2000)

modifiers, Biochemistry, 7, 4030-4034.

Reactive oxygen species generated at mitochondrial com

12.

Koo, Y., Cao, Y., Kopelman, R., Koo, S., Brasuel, M., and

plex III stabilize hypoxia inducible factor 1alpha during

Philbert, M. (2004) Real time measurements of dissolved

hypoxia: a mechanism of O₂ sensing, J. Biol. Chem., 275,

oxygen inside live cells by organically modified silicate

25130-25138, doi: 10.1074/jbc.M001914200.

fluorescent nanosensors, Anal. Chem., 76, 2498-2505,

25.

Waypa, G., Marks, J., Mack, M., Boriboun, C., Mungai, P.,

doi: 10.1021/ac035493f.

and Schumacker, P. (2000) Mitochondrial reactive oxygen

13.

Mik, E., Stap, J., Sinaasappel, M., Beek, J., Aten, J., van

species trigger calcium increases during hypoxia in pul

Leeuwen, T., and Ince, C. (2006) Mitochondrial PO₂ mea

monary arterial myocytes, Circ. Res., 91, 719-726.

БИОХИМИЯ том 85 вып. 1 2020

ВНУТРИКЛЕТОЧНАЯ КИСЛОРОДНАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ

26.

Guzy, R., Hoyos, B., Robin, E., Chen, H., Liu, L.,

42.

Murphy, M., Holmgren, A., Larsson, N., Halliwell, B.,

Mansfield, K., Simon, M., Hammerling, U., and

Chang, C., Kalyanaraman, B., Rhee, S., Thornalley, P.,

Schumacker, P. (2005) Mitochondrial complex III is

Partridge, L., Gems, D., Nyström, T., Belousov, V.,

required for hypoxia induced ROS production and cellular

Schumacker, P., and Winterbourn, C. (2011) Unraveling

oxygen sensing, Cell Metab., 1, 401-408, doi: 10.1016/

the biological roles of reactive oxygen species, Cell Metab.,

j.cmet.2005.05.001.

13, 361-366, doi: 10.1016/j.cmet.2011.03.010.

27.

Mansfield, K., Guzy, R., Pan, Y., Young, R., Cash, T.,

43.

Semenza, G. (2012) Hypoxia inducible factors in physiol

Schumacker, P., and Simon, M. (2005) Mitochondrial dys

ogy and medicine, Cell, 148, 399-408, doi: 10.1016/j.cell.

function resulting from loss of cytochrome c impairs cellu

2012.01.021.

lar oxygen sensing and hypoxic HIF alpha activation, Cell

44.

Rhee, S., Woo, H., Kil, I., and Bae, S. (2012) Peroxi

Metab., 1, 393-399, doi: 10.1016/j.cmet.2005.05.003.

redoxin functions as a peroxidase and a regulator and sen

28.

Lebuffe, G., Schumacker, P., Shao, Z., Anderson, T.,

sor of local peroxides, J. Biol. Chem., 287, 4403-4410,

Iwase, H., and Vanden Hoek, T.L. (2003) ROS and NO

doi: 10.1074/jbc.R111.283432.

trigger early preconditioning: relationship to mitochondri

45.

Chowdhury, R., Flashman, E., Mecinović, J., Kramer, H.,

al KATP channel, Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol., 284,

Kessler, B., Frapart, Y., Boucher, J., Clifton, I.,

H299-H308, doi: 10.1152/ajpheart.00706.2002.

McDonough, M., and Schofield, C. (2011) Studies on the

29.

Guzy, R., Mack, M., and Schumacker, P.

(2007)

reaction of nitric oxide with the hypoxia inducible factor

Mitochondrial complex III is required for hypoxia

prolyl hydroxylase domain 2 (EGLN1), J. Mol. Biol., 410,

induced ROS production and gene transcription in yeast,

268-279, doi: 10.1016/j.jmb.2011.04.075.

Antioxid. Redox Signal., 9, 1317-1328, doi: 10.1089/

46.

Льюин Б. (2016) В кн. Клетки по Льюину (под ред. Кас

ars.2007.1708.

симерис Л., Лингаппа В., Плоппер Д.), Лаборатория

30.

Boveris, A., and Cadenas, E. (2000) Mitochondrial pro

знаний, Москва, с. 26-27.

duction of hydrogen peroxide regulation by nitric oxide

47.

Hoshi, T., and Lahiri, S. (2004) Cell biology. Oxygen sens

and the role of ubisemiquinone, IUBMB Life, 50,

ing: it’s a gas! Cell Biol., 306, 2050-2051, doi: 10.1126/

245-250, doi: 10.1080/713803732.

science.1107069.

31.

Sabharwal, S., and Schumacker, P. (2014) Mitochondrial

48.

Haddad, G., and Jiang, C. (1997) O₂ sensing mechanisms

ROS in cancer: initiators, amplifiers or an Achilles’ heel?

in excitable cells: role of plasma membrane K⁺ channels,

Nat. Rev. Cancer, 14, 709-721, doi: 10.1038/nrc3803.

Annual Rev. Physiol., 59, 23-42, doi: 10.1146/annurev.

32.

Waypa, G., Marks, J., Guzy, R., Mungai, P., Schriewer, J.,

physiol.59.1.23.

Dokic, D., and Schumacher P. (2010) Hypoxia triggers

49.

Kemp, P., and Peers. C (2007) Oxygen sensing by ion

subcellular compartmental redox signaling in vascular

channels, Essays Biochem., 43, 77-90, doi: 10.1042/

smooth muscle cells, Circ. Res.,

106,

526-535,

BSE0430077.

doi: 10.1161/CIRCRESAHA.109.206334.

50.

Platoshyn, O., Brevnova, E., Burg, E., Yu, Y., Remillard, C.,

33.

Brand, M. (2016) Mitochondrial generation of superoxide

and Yuan, J. (2006) Acute hypoxia selectively inhibits

and hydrogen peroxide as the source of mitochondrial

KCNA5 channels in pulmonary artery smooth muscle

redox signaling, Free Radic. Biol. Med., 100, 14-31,

cells, Am. J. Physiol. Cell Physiol., 290, C907-C916,

doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2016.04.001.

doi: 10.1152/ajpcell.00028.2005.

34.

Remington, S. (2006) Fluorescent proteins: maturation,

51.

Prabhakar, N.R., and Peers, C. (2014) Gasotransmitter

photochemistry and photophysics, Curr. Opin. Struct. Biol.,

regulation of ion channels: a key step in O₂ sensing by the

16, 714-721, doi: 10.1016/j.sbi.2006.10.001.

carotid body, Physiology (Bethesda),

29,

49-57,

35.

Liu, H., Colavitti, R., Rovira, I., and Finkel, T. (2005)

doi: 10.1152/physiol.00034.2013.

Redox dependent transcriptional regulation, Circ. Res.,

52.

Peers, C., Wyatt, C., and Evans, A. (2010) Mechanisms for

97, 967-974, doi: 10.1161/01.RES.0000188210.72062.10.

acute oxygen sensing in the carotid body, Respir. Physiol.

36.

Pan, Y., Mansfield, K., Bertozzi, C., Rudenko, V., Chan, D.,

Neurobiol., 174, 292-298, doi: 10.1016/j.resp.2010.08.010.

Giaccia, A., and Simon, M. (2007) Multiple factors affect

53.

Kemp, P. (2006) Detecting acute changes in oxygen: will

ing cellular redox status and energy metabolism modulate

the real sensor please stand up? Exp. Physiol., 91, 829-834,

hypoxia inducible factor prolyl hydroxylase activity in vivo

doi: 10.1113/expphysiol.2006.034587.

and in vitro, Mol. Cell. Biol., 27, 912-925, doi: 10.1128/

54.

Ward, J. (2008) Oxygen sensors in context, Biochim.

MCB.01223 06.

Biophys. Acta, 1777, 1-14, doi: 10.1016/j.bbabio.2007.

37.

Finkel, T. (2012) Signal transduction by mitochondrial

10.010.

oxidants, J. Biol. Chem., 287, 4434-4440, doi: 10.1074/

55.

Williams, S., Wootton, P., Mason, H., Bould, J., Iles, D.,

jbc.R111.271999.

Riccardi, D., Peers, C., and Kemp, P. (2004) Hemoxy

38.

Bell, E., and Chandel, N. (2007) Genetics of mitochon

genase 2 is an oxygen sensor for a calcium sensitive potas

drial electron transport chain in regulating oxygen sensing,

sium channel, Science, 306, 2093-2097, doi: 10.1126/

Methods Enzymol., 435, 447-461, doi: 10.1016/S0076

science.1105010.

6879(07)35023 4.

56.

Hou, S., Heinemann, S., and Hoshi, T. (2009) Modulation

39.

Orr, A., Vargas, L., Turk, C., Baaten, J., Matzen, J.,

of BKCa channel gating by endogenous signaling mole

Dardov, V., Attle, S., Li, J., Quackenbush, D., Goncalves, R.,

cules, Physiology (Bethesda), 24, 26-35, doi: 10.1152/

Perevoshchikova, I., Petrassi, H., Meeusen, S., Ainscow,

physiol.00032.2008.

E., and Brand, M. (2015) Suppressors of superoxide pro

57.

Peng, Y., Nanduri, J., Raghuraman, G., Souvannakitti, D.,

duction from mitochondrial complex III, Nat. Chem. Biol.,

Gadalla, M., Kumar, G., Snyder, S., and Prabhakar, N.

11, 834-836, doi: 10.1038/nchembio.1910.

(2010) H₂S mediates O₂ sensing in the carotid body, Proc.

40.

Sabharwal, S., Waypa, G., Marks, J., and Schumacker, P.

Natl. Acad. Sci. USA, 107, 10719-10724, doi: 10.1073/

(2013) Peroxiredoxin 5 targeted to the mitochondrial

pnas.1005866107.

intermembrane space attenuates hypoxia induced reactive

58.

Li, Q., Sun, B., Wang, X., Jin, Z., Zhou, Y., Dong, L.,

oxygen species signaling, Biochem. J., 456, 337-346,

Jiang, L., and Rong, W. (2010) A crucial role for hydrogen

doi: 10.1042/BJ20130740.

sulfide in oxygen sensing via modulating large conductance

41.

Murphy, M. (2009) How mitochondria produce reactive oxy

calcium activated potassium channels, Antioxid. Redox

gen species, Biochem. J., 417, 1-13, doi: 10.1042/BJ20081386.

Signal., 12, 1179-1189, doi: 10.1089/ars.2009.2926.

БИОХИМИЯ том 85 вып. 1 2020

ВЁТОШ

59.

Peers, C. (2015) Acute oxygen sensing inching ever closer

77.

Li, Y., Zheng, H., Ding, Y., and Schultz, H.

(2010)

to an elusive mechanism, Cell Metab., 22, 753-754,

Expression of neuronal nitric oxide synthase in rabbit

doi: 10.1016/j.cmet.2015.10.011.

carotid body glomus cells regulates large conductance

60.

Julius, D., and Nathans, J. (2012) Signaling by sensory

Ca²⁺ activated potassium currents, J. Neurophysiol., 103,

receptors, Cold Spring Harb. Perspect. Biol., 4, a005991,

3027-3033, doi: 10.1152/jn.01138.2009.

doi: 10.1101/cshperspect.a005991.

78.

Campanucci, V., Zhang, M., Vollmer, C., and Nurse, C.

61.

Maines, M. (1997) The heme oxygenase system: a regula

(2006) Expression of multiple P2X receptors by glossopha

tor of second messenger gases, Annu. Rev. Pharmacol.

ryngeal neurons projecting to rat carotid body O₂

Toxicol., 37, 517-554.

chemoreceptors: role in nitric oxide mediated efferent

62.

Prabhakar, N., Dinerman, J., Agani, F., and Snyder, S.

inhibition, J. Neurosci., 26, 9482-9493, doi: 10.1523/

(1995) Carbon monoxide: a role in carotid body chemore

JNEUROSCI.1672 06.2006.

ception, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 92, 1994-1997.

79.

Колесникова Е.Э. (2004) Молекулярные механизмы

63.

Prabhakar, N. (2012) Carbon monoxide (CO) and hydro

рецепции уровня кислорода, Нейрофизиология, 36,

gen sulfide (H₂S) in hypoxic sensing by the carotid body,

330-347.

Respir. Physiol. Neurobiol., 184, 165-169, doi: 10.1016/

80.

Samanta, D., Prabhakar, N., and Semenza, G. (2017)

j.resp.2012.05.022.

Systems biology of oxygen homeostasis, Wiley Interdiscip.

64.

Barbé, C., Al Hashem, F., Conway, A., Dubuis, E.,

Rev. Syst. Biol. Med., 9, e1382, doi: 10.1002/wsbm.1382.

Vandier, C., and Kumar, P. (2002) A possible dual site of

81.

Semenza, G.

(2010) Oxygen homeostasis, Wiley

action for carbon monoxide mediated chemoexcitation in

Interdiscip. Rev. Syst. Biol. Med.,

336-361,

the rat carotid body, J. Physiol.,

543,

933-945,

doi: 10.1002/wsbm.69.

doi: 10.1113/jphysiol.2001.015750.

82.

Szewczak, L. (2016) Timeline: cellular oxygen sensing,

65.

Lloyd, B., Cunningham, D., and Goode, R. (2013) in

Cell, 167, 286, doi: 10.1016/j.cell.2016.08.065.

Arterial Chemoreceptors (Torrance, R., ed.), Blackwell,

83.

Lin, F., Suggs, S., Lin, C., Browne, J., Smalling, R., Egrie, J.,

Oxford, pp. 145-150.

Chen, K., Fox, G., Martin, F., and Stabinsky, Z. (1985)

66.

Gadalla, M., and Snyder, S. (2010) Hydrogen sulfide as a

Cloning and expression of the human erythropoietin gene,

gasotransmitter, J. Neurochem., 113, 14-26, doi: 10.1111/

Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 82, 7580-7584.

j.1471 4159.2010.06580.x.

84.

Bishop, T., and Ratcliffe, P. (2014) Signaling hypoxia by

67.

Wang, R. (2012) Physiological implications of hydrogen

hypoxia inducible factor protein hydroxylases: a historical

sulfide: a whiff exploration that blossomed, Physiol. Rev.,

overview and future perspectives, Hypoxia (Auckl), 2,

92, 791-896, doi: 10.1152/physrev.00017.2011.

197-213, doi: 10.2147/HP.S47598.

68.

Mkrtchian, S., Kåhlin, J., Ebberyd, A., Gonzalez, C.,

85.

Gleadle, J. (2009) Review article: How cells sense oxygen:

Sanchez, D., Balbir, A., Kostuk, E., Shirahata, M.,

lessons from and for the kidney, Nephrology (Carlton), 1,

Fagerlund, M., and Eriksson, L. (2012) The human carotid

86-93, doi: 10.1111/j.1440 1797.2008.01064.x.

body transcriptome with focus on oxygen sensing and

86.

Анохина Е.Б., Буравкова Л.Б. (2010) Механизмы регу

inflammation - a comparative analysis, J. Physiol., 590,

ляции транскрипционного фактора при гипоксии,

3807-3819, doi: 10.1113/jphysiol.2012.231084.

Биохимия, 75, 185-195.

69.

Makarenko, V., Nanduri, J., Raghuraman, G., Fox, A.,

87.

Masson, N., Willam, C., Maxwell, P., and Pugh, C. (2001)

Gadalla, M., Kumar, G., Snyder, S., and Prabhakarn, N.

Ratcliffe, P. Independent function of two destruction

(2012) Endogenous H₂S is required for hypoxic sensing by

domains in hypoxia inducible factor alpha chains activat

carotid body glomus cells, Am. J. Physiol. Cell Physiol., 303,

ed by prolyl hydroxylation, EMBO J., 20, 5197-5206,

C916-C923, doi: 10.1152/ajpcell.00100.2012.

doi: 10.1093/emboj/20.18.5197.

70.

Buckler, K. (2012) Effects of exogenous hydrogen sulphide

88.

Maxwell, P., Wiesener, M., Chang, G., Clifford, S., Vaux, E.,

on calcium signalling, background (TASK) K channel

Cockman, M., Wykoff, C., Pugh, C., Maher, E., and

activity and mitochondrial function in chemoreceptor

Ratcliffe, P. (1999) The tumour suppressor protein VHL

cells, Pflug. Arch., 463, 743-754, doi: 10.1007/s00424

targets hypoxia inducible factors for oxygen dependent

012 1089 8.

proteolysis, Nature, 399, 271-275, doi: 10.1038/20459.

71.

Haouzi, P., Bell, H., and Van de Louw, A. (2011) Hypoxia

89.

Semenza, G. (2016) Dynamic regulation of stem cell specifica

induced arterial chemoreceptor stimulation and hydrogen

tion and maintenance by hypoxia inducible factors, Mol.

sulfide: too much or too little? Respir. Physiol. Neurobiol.,

Aspects Med., 47-48, 15-23, doi: 10.1016/j.mam.2015.09.004.

179, 97-102, doi: 10.1016/j.resp.2011.09.009.

90.

Prabhakar, N., and Semenza, G. (2016) Regulation of

72.

Olson, K., and Whitfield, N. (2010) Hydrogen sulfide and

carotid body oxygen sensing by hypoxia inducible factors,

oxygen sensing in the cardiovascular system, Antioxid.

Pflug. Arch., 468, 71-75, doi: 10.1007/s00424 015 1719 z.

Redox Signal., 12, 1219-1234, doi: 10.1089/ars.2009.2921.

91.

Hirsilä, M., Koivunen, P., Günzler, V., Kivirikko, K., and

73.

Campanucci, V., and Nurse, C. (2007) Autonomic inner

Myllyharju, J. (2003) Characterization of the human prolyl

vation of the carotid body: role in efferent inhibition,

4 hydroxylases that modify the hypoxia inducible factor, J.

Respir. Physiol. Neurobiol., 157, 83-92, doi: 10.1016/

Biol. Chem.,

278,

30772-30780, doi:

10.1074/jbc.

j.resp.2007.01.020.

M304982200.

74.

Prabhakar, N., Kumar, G., Chang, C., Agani, F., and

92.

Maltepe, E., Schmidt, J., Baunoch, D., Bradfield, C., and

Haxhiu, M. (1993) Nitric oxide in the sensory function of

Simon, M. (1997) Abnormal Angiogenesis and responses

the carotid body, Brain Res., 625, 16-22.

to glucose and oxygen deprivation in mice lacking the pro

75.

Silva, J., and Lewis, D. (2002) Nitric oxide enhances

tein ARNT, Nature, 386, 403-407, doi: 10.1038/386403a0.

Ca(2+) dependent K(+) channel activity in rat carotid

93.

Townley Tilson, W., Pi, X., and Xie, L. (2015) The role of

body cells, Pflugers Arch., 443, 671-675, doi: 10.1007/

oxygen sensors, hydroxylases, and HIF in cardiac function

s00424 001 0745 1.

and disease, Oxid. Med. Cell. Longev., 2015, 676893,

76.

Summers, B., Overholt, J., and Prabhakar, N. (1999)

doi: 10.1155/2015/676893.

Nitric oxide inhibits L type Ca²⁺ current in glomus cells of

94.

Epstein, A., Gleadle, J., McNeill, L., Hewitson, K.,

the rabbit carotid body via a cGMP independent mecha

O’Rourke, J., Mole, D., Mukherji, M., Metzen, E.,

nism, J. Neurophysiol., 81, 1449-1457, doi: 10.1152/

Wilson, M., Dhanda, A., Tian, Y., Masson, N., Hamilton, D.,

jn.1999.81.4.1449.

Jaakkola, P., Barstead, R., Hodgkin, J., Maxwell, P., Pugh, C.,

БИОХИМИЯ том 85 вып. 1 2020

ВНУТРИКЛЕТОЧНАЯ КИСЛОРОДНАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ

Schofield, C., and Ratcliffe, P. (2001) C. elegans EGL 9

Ca²⁺ activated K⁺ channels in human melanoma cells are

and mammalian homologs define a family of dioxygenases

up regulated by hypoxia involving hypoxia inducible fac

that regulate HIF by prolyl hydroxylation, Cell, 107, 43-54.

tor 1alpha and the von Hippel Lindau protein, J. Physiol.,

95. Coleman, M.L., and Ratcliffe, P.J. (2007) in Essays in

571, 349-359, doi: 10.1113/jphysiol.2005.096818.

Biochemistry. Oxygen Sensing and Hypoxia(Induced Responses,

105. Dong, Q., Zhao, N., Xia, C., Du, L., Fu, X., and Du, Y.

(Peers. C., ed.), Portland Press, London, pp. 1-15.

(2012) Hypoxia induces voltage gated K⁺ (Kv) channel

96. Тренделева Т.А., Аливердиева Д.А., Звягильская Р.А.

expression in pulmonary arterial smooth muscle cells

(2014) Механизмы определения низкого уровня кис

through hypoxia inducible factor 1 (HIF 1), Bosn. J. Basic

лорода у млекопитающих и дрожжей и их адаптацион

Med. Sci., 12, 158-163, doi: 10.17305/bjbms.2012.2463.

ные ответы, Биохимия, 79, 944-956.

106. Shin, D., Lin, H., Zheng, H., Kim, K., Kim, J., Chun, Y.,

97. Погодина М.В., Буравкова Л.Б. (2015) Особенности

Park, J., Nam, J., Kim, W., Zhang, Y., and Kim, S. (2014)

экспрессии HIF 1α в мультипотентных мезенхимных

HIF 1α mediated upregulation of TASK 2 K⁺ channels aug

стромальных клетках при гипоксии, Бюлл. эксп. биол.

ments Ca²⁺ signaling in mouse B cells under hypoxia, J.

мед., 159, 333-335.

Immunol., 193, 4924-4933, doi: 10.4049/jimmunol.1301829.

98. Ivan, M., and Kaelin, W.G. Jr., (2017) The EGLN HIF

107. Bautista, L., Castro, M., López Barneo, J., and

O₂ sensing system: multiple inputs and feedbacks, Mol.

Castellano, A. (2009) Hypoxia inducible factor 2alpha stabi

Cell, 66, 772-779, doi: 10.1016/j.molcel.2017.06.002.

lization and maxi K⁺ channel beta1 subunit gene repression

99. Kim, J., Tchernyshyov, I., Semenza, G., and Dang, C.

by hypoxia in cardiac myocytes: role in preconditioning, Circ.

(2006) HIF 1 mediated expression of pyruvate dehydroge

Res.,

104,

1364-1372, doi:

10.1161/CIRCRESAHA.

nase kinase: a metabolic switch required for cellular adap

108.190645.

tation to hypoxia, Cell Metab., 3, 177-1785, doi: 10.1016/

108. Takahashi, N., Kuwaki, T., Kiyonaka, S., Numata, T., Kozai, D.,

j.cmet.2006.02.002.

Mizuno, Y., Yamomoto, S., Naito, S., Knevels, E., Carmeliet, P.,

100. Goda N., and Kanai M. (2012) Hypoxia inducible factors

Oqa, T., Kaneko, S., Suqa, S., Nokami, T., Yoshida, J., and

and their roles in energy metabolism, Int. J. Hematol., 95,

Mori, Y. (2011) TRPA1 underlies a sensing mechanism for O₂,

457-463, doi: 10.1007/s12185 012 1069 y.

Nat. Chem. Biol., 7, 701-711, doi: 10.1038/nchembio.640.

101. Lu, H., Samanta, D., Xiang, L., Zhang, H., Hu, H., Chen, I.,

109. Nagarajan, Y., Rychkov, G., and Peet, D.

(2017)

Bullen, J., and Semenza, G. (2015) Chemotherapy triggers

Modulation of TRP channel activity by hydroxylation and

HIF 1 dependent glutathione synthesis and copper chela

its therapeutic potential, Pharmaceuticals (Basel), 10, 1-8,

tion that induces the breast cancer stem cell phenotype,

doi: 10.3390/ph10020035.

Proc. Natl. Acad. Sci. USA,

112, E4600-E4609,

110. Semenza, G., and Prabhakar, N. (2018) The role of hypox

doi: 10.1073/pnas.1513433112.

ia inducible factors in carotid body (patho) physiology, J.

102. Gao, L., González Rodr guez, P., Ortega Sáenz, P., and

Physiol., 596, 2977-2983, doi: 10.1113/JP275696.

López Barneo, J. (2017) Redox signaling in acute oxygen

111.

Macdonald, A., and Vjotosh, A. (1999) Patch clamp

sensing, Redox Biol.,

12,

908-915, doi:

10.1016/

recording of BK_Ca channels in hyperbaric oxygen, J.

j.redox.2017.04.033.

Physiol., 518, 111P-112P.

103. Fernández Agüera, M., Gao, L., González Rodr guez, P.,

112. Pokorski, M., Takeda, K., and Okada, Y. (2016) Oxygen

Pintado, C., Arias Mayenco, I., Garc a Flores, P., Garc a

sensing mechanisms: a physiological penumbra, Adv. Exp.

Pergañeda, A., Pascual, A., Ortega Sáenz, P., and López

Med. Biol., 952, 1-8, doi: 10.1007/5584_2016_67.

Barneo, J. (2015) Oxygen sensing by arterial chemorecep

113. Mori, Y., Takahashi, N., Kurokawa, T., and Kiyonaka, S.

tors depends on mitochondrial complex I signaling, Cell

(2017) TRP channels in oxygen physiology: distinctive

Metab., 22, 825-837, doi: 10.1016/j.cmet.2015.09.004.

functional properties and roles of TRPA1 in O₂ sensing,

104. Tajima, N., Schönherr, K., Niedling, S., Kaatz, M.,

Proc. Jpn. Acad. Ser. B Phys. Biol. Sci., 93, 464-482,

Kanno, H., Schönherr, R., and Heinemann, S. (2006)

doi: 10.2183/pjab.93.028.

INTRACELLULAR MECHANISMS OF OXYGEN SENSING

Review

A. N. Vjotosh^1,2,3

¹ Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry,

194223 St. Petersburg, Russia; E(mail: vjotnn@yahoo.com

² Lesgaft National State University of Physical Education, Sport and Health, 190121 St. Petersburg, Russia

³ Mechnikov North(Western State Medical University, 195067 St. Petersburg, Russia

Received May 9, 2019

Revised September 29, 2019

Accepted October 20, 2019

Based on the analysis of literature data, molecular mechanisms for oxygen sensing in various compartments of animal

cells are postulated. Several ways for intracellular sensory oxygen transduction are suggested. Functioning of the near

membrane and cytoplasmic pools of molecular constructs of cells under hypoxia is considered. Role of mitochondria

in cell sensitivity toward a decrease in oxygen content is discussed. Interrelationship of the operational and chronic

intracellular mechanisms of perception of negative gradients of molecular oxygen concentration, as well as their rela

tionship with cell response to oxidative stress, is revealed.

Keywords: mitochondria, potassium membrane channels, HIF

БИОХИМИЯ том 85 вып. 1 2020