БИОХИМИЯ, 2021, том 86, вып. 1, с. 100 - 108

УДК 577.152.193

ЗАГАДКА 2 Cys ПЕРОКСИРЕДОКСИНОВ:

КАКОВА ИХ РОЛЬ В КЛЕТКЕ?

Обзор

A.В. Пескин*, К.С. Уинтерборн

Centre for Free Radical Research, University of Otago Christchurch,

8140 Christchurch, New Zealand; E mail: alexander.peskin@otago.ac.nz

Поступила в редакцию 02.09.2020

После доработки 09.10.2020

Принята к публикации 09.10.2020

2 Cys пероксиредоксины являются широко распространенными белками, содержащими активную тиоль

ную группу, которые эффективно вступают в реакции с различными пероксидами. В отличие от других фер

ментов, их исключительно высокая реакционная способность не зависит от кофакторов. Механизм окисле

ния и восстановления пероксиредоксинов представляет этим белкам хорошую возможность действовать

как антиоксиданты, а кроме того, участвовать в редокс путях передачи сигнала. Понимание тонкостей

функционирования пероксиредоксинов необходимо для трансляционной медицины.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: пероксиредоксин, тиолы, редокс, сигнальные пути, пероксид.

DOI: 10.31857/S0320972521010085

«Защищать и служить»

Девиз LAPD

ИСТОРИЧЕСКИЙ АСПЕКТ

стресса, экспрессируют повышенное количест

во TSA. В то же время мутантные дрожжевые

Пероксиредоксины являются широко рас

клетки, которые не продуцировали TSA, с тру

пространенными тиол содержащими белками.

дом росли в аэробных условиях [2, 3]. Позже по

Их открытие не было одномоментным событи

добный белок был очищен из ткани мозга крыс

ем и было растянуто во времени. Отправной

[4]. Дальнейший прогресс был достигнут при

точкой в этом открытии стало обнаружение не

исследовании бактерий, у которых их алкил

известного фактора, который защищал глута

гидропероксид редуктазная активность приво

минсинтетазу дрожжей от окисления тиол зави

дила к восстановлению перекиси водорода за

симым образом [1]. Белок, который был ответ

счет NADPH [5]. Оказалось, что очищенная

ственен за эту защиту, был очищен и охаракте

ферментативная активность была связана с дву

ризован как тиол специфичный антиоксидант

мя белками - AphC и AphF. Секвенирование ко

(TSA - thiol specific antioxidant). Первоначаль

дирующих эти белки генов показало, что белок

ная гипотеза заключалась в том, что этот защит

AphF является гомологом тиоредоксинредукта

ный эффект мог быть результатом реакции бел

зы, и после периода некоторого замешательства

ка с реакционноспособными формами серы.

стало ясным, что в белке AphC имеются высоко

Было показано, что дрожжевые клетки, которые

консервативные последовательности, характер

культивировались в условиях окислительного

ные также для TSA [6, 7].

В последующих работах было показано, что

эти ферменты являются представителями боль

Принятые сокращения: C_PSH - пероксидативный

остаток цистеина; C_P

SOH - сульфеновая кислота; шого семейства белков, присутствующих в клет

C_PSO₂H - сульфиновая кислота; C_R

SH -результирующий ках всех биологических видов. В 1994 г. они бы

остаток цистеина; Grx - глутаредоксин; GSH - глутатион;

ли названы пероксиредоксинами, и это оказа

Prdx -пероксиредоксин; Srx - сульфиредоксин; Trx - тио

редоксин; TrxR - тиоредоксинредуктаза; TSA - тиол спе

лось удивительным предвидением. К тому вре

цифичный антиоксидант.

мени уже было известно 46 белков из различных

* Адресат для корреспонденции.

биологических видов, для которых была уста

100

РОЛЬ 2 Cys ПЕРОКСИРЕДОКСИНОВ

101

новлена гомология с TSA и AphC, но при этом

их участие в биохимических путях оставалось

невыясненным [7]. Для сокращенного обозна

чения пероксиредоксинов исходно использова

лись термины Prx и Prdx, но недавно они были

рационализированы до единого обозначения -

Prdx.

Число структурно охарактеризованных пе

роксиредоксинов (Prdx) постоянно растет. Ос

новываясь на аминокислотных последователь

ностях, находящихся вблизи активного центра,

пероксиредоксины можно разделить на шесть

групп [8]. Все Prdx имеют высокореактивный

остаток цистеина (пероксидативный, C_PSH),

который при реакции с пероксидом образует

сульфеновую кислоту (C_PSOH). В соответствии

с каталитическим механизмом для восстановле

ния C_PSOH, эти белки можно разделить на три

подсемейства [9].

1. Типичный 2 Cys Prdx. Сульфеновая кис

лота реагирует с результирующим остатком цис

Рис. 1. Декамер Prdx2. Стрелками обозначены положения

теина (C_RSH) другой субъединицы конститутив

активных центров пероксидативного (C_P) и результирую

щего (C_R) остатков цистеина в димерной единице, сплош

ного нековалентного гомодимера.

ные стрелки для одной пары C_P и C_R, а пунктирные - для

2. Нетипичный 2 Cys Prdx. Образование

другой. Расстояние между C_P и C_R составляет 14 Å. Адапти

дисульфида происходит с участием C_RSH, нахо

ровано из статьи, doi: 10.2210/pdb1QMV/pdb, http://

дящегося на одной и той же субъединице.

www.rcsb.org/structure/1QMV. (С цветным вариантом ри

1 Cys Prdx. C_RSH отсутствует, и другие

сунка можно ознакомиться в электронной версии статьи

на сайте: http://sciencejournals.ru/journal/biokhsm/.)

тиолы участвуют в реакции с C_PSOH.

Отличительной особенностью 2 Cys перок

сиредоксинов является их способность образо

вывать высокомолекулярные комплексы, состо

ми единицами. Активный центр фермента с

ящие, в зависимости от конкретного белка, из 5

C_PSH высоко консервативен для всех предста

или 6 димеров. Поскольку молекулярная масса

вителей семейства пероксиредоксинов. Непо

мономеров составляет примерно 22 кДа, дека

средственным продуктом реакции с перокси

мер Prdx2 (рис. 1) человека имеет молекулярную

дом является сульфеновая кислота, C_PSOH.

массу 220 кДа.

Структура активного центра этих ферментов

Эти регулярные структуры имеют пончико

организована уникальным образом для осущес

образную форму, и они могут быть визуализиро

твления нуклеофильной атаки на связь перок

ваны с помощью метода трансмиссионной

сил-O-O- [11-13]. Пероксиредоксины рас

электронной микроскопии (TEM - transmission

щепляют эту связь в перекиси водорода [4, 7,

electron microscopy). С помощью метода TEM

14], алкил пероксидах (7, 15, 16), пероксинит

пероксиредоксин эритроцитов выявлялся в виде

рите [17-21] и гидропероксидах аминокислот и

единого торического белка, состоящего из 10

белков [22]. В клетках млекопитающих выявле

субъединиц и названного торином еще до того,

ны четыре изоформы 2 Cys пероксиредокси

как были обнаружены TSA и установлена ката

нов - цитозольные белки Prdx1 и Prdx2, мито

литическая активность пероксиредоксинов [10].

хондриальный белок Prdx3 и Prdx4, локализо

В настоящем обзоре будут подробно рас

ванный в эндоплазматическом ретикулуме.

смотрены 2 Cys пероксиредоксины (Prdxs).

В типичных 2 Cys Prdx консервативный оста

ток цистеина C_R на C конце не может конкури

ровать с C_PSH за пероксид, но способен эффек

2 Cys ПЕРОКСИРЕДОКСИНЫ

тивно восстанавливать C_PSOH на другой субъе

динице с образованием дисульфида. Кроме

Каталитический цикл 2 Cys пероксиредокси

участия в реакции образования дисульфидной

нов. 2 Cys Prdxs существуют как обязательные

связи, C_PSOH также может вступить в реакцию

нековалентные гомодимеры, соединённые меж

с другой молекулой пероксида и подвергаться

ду собой в положении «голова хвост»; эти ди

гиперокислению с образованием сульфиновой

меры являются минимальными каталитически

кислоты, C_PSO₂H (рис. 2).

БИОХИМИЯ том 86 вып. 1 2021

102

ПЕСКИН, УИНТЕРБОРН

Рис. 2. Схема поэтапного окисления нековалентного димера 2 Cys Prdx

Дисульфид может быть эффективно восста

тивность, измеренная в то время, была на два по

новлен тиоредоксином (Trx) и тиоредоксинре

рядка ниже, чем у каталазы или глутатионперок

дуктазой (TrxR) [7] или системой глутатиона

сидаз, содержащих селеноцистеин [15]. Дей

(GSH) и глутаредоксина (Grx) [23]. Ранее обра

ствительно, в то время была выдвинута точка

зование C_PSO₂H считалось необратимым про

зрения, что «идея о том, что они могут быть чем

цессом, однако открытие сульфиредоксина

то иным, чем антиоксидантами, поддерживаю

(Srx) выявило сложный механизм полного, хотя

щими глутатионпероксидазу или каталазу, веро

и медленного, восстановления функционально

ятно, может быть проигнорирована. Ситуация,

активного белка [24]. Эффективность гипер

когда любой из пероксиредоксинов может кон

окисления различных 2 Cys пероксиредоксинов

курировать с каталазой за общий субстрат, H₂O₂,

регулируется С концевой аминокислотной пос

по видимому, не существует» [15].

ледовательностью, в которой содержится C_RSH

К середине нулевых годов расчет константы

[25]. Так, бактериальный пероксиредоксин

скорости второго порядка для реакции Prdx с

AhpC чрезвычайно устойчив к гиперокислению.

H₂O₂ производился с использованием системы,

Эукариотический цитозольный Prdx2 очень

в которой восстановление H₂O₂ пероксиредок

чувствителен, а устойчивость к гиперокислению

сином было сопряжено с Trx, TrxR и NADPH.

митохондриального белка Prdx3 находится по

Следовательно, измерение проходило по цепоч

середине [26].

ке следующих реакций: 1) окисление Prdx пере

Реакционная способность пероксиредоксина.

кисью водорода, 2) восстановление Prdx тиоре

Первый представитель пероксиредоксинов был

доксином, 3) восстановление тиоредоксина тио

обнаружен как белок, который защищает другой

редоксинредуктазой и 4) окисление NADPH ти

белок от окислительного повреждения [1]. Даль

оредоксинредуктазой. Поэтому измеряемая ак

нейшие исследования кристаллической структу

тивность отражала, скорее, скорость наиболее

ры, энзимологические и генетические данные

медленной реакции в этой системе, а не

дали ясно понять, что Prdxs являются антиокси

собственно скорость реакции Prdx с H₂O₂.

дантными белками, действие которых направле

Измерение скорости прямой реакции оказа

но на пероксиды [4, 7, 11, 12, 14]. Однако было

лось непростой задачей. Очищенный Prdx после

трудно понять, как Prdxs могут проявлять защит

восстановления и удаления восстановителя

ное действие, так как их каталитическая эффек

быстро возвращался в окисленное состояние.

БИОХИМИЯ том 86 вып. 1 2021

РОЛЬ 2 Cys ПЕРОКСИРЕДОКСИНОВ

103

Оказалось, что виновником был случайный пе

тивного центра в полностью свернутом состоя

роксид, присутствующий в буферных растворах.

нии (FF - fully folded state). После образования

Когда эта проблема была обозначена, и были

C_PSOH в результате окисления он может всту

применены соответствующие технологии, поз

пать в реакцию с другой молекулой H₂O₂, и об

воляющие работать с очищенными препаратами

разующийся C_PO₂H остается в состоянии FF.

пероксиредоксина в отсутствие восстановите

В противном случае C_PSOH смещается из кар

лей, константа скорости прямой реакции второ

мана активного центра в направлении C_RSH и

го порядка Prdx с H₂O₂ оказалась намного выше.

приобретает локально развернутую структуру

В конкурентных опытах с пероксидазой хрена

(LU) в ходе образования дисульфидной свя

или каталазой её величина оказалась равной

зи [39].

2-4 × 10⁷ M^-1⋅с^-1 [19, 27, 28]. Измерения, осно

Пероксидативные тиолы димеров

2 Cys

ванные на потере внутренней флуоресценции

Prdxs демонстрируют положительное коопера

Prdx в результате окисления H₂O₂, дали значе

тивное действие. В том случае, когда первый

ние ~10⁸ M^-1⋅с^-1 [29]. Такой уровень эффектив

C_PSH находится в виде сульфеновой кислоты,

ности фермента позволяет внести пероксире

второй C_PSH быстрее, чем первый, вступает в

доксины не только в список первоoсновных ан

реакцию с H₂O₂. Кооперативность отсутствует,

тиоксидантов, а также в ряд самых быстродей

если уже был образован дисульфид C_PS-SC_R

ствующих ферментов, но и выделить их в от

[40].

дельный класс. В отличие от других ферментов

Влияние С конца на окисление Prdx. Началь

исключительно высокая реакционная способ

ная реакция всех 2 Cys пероксиредоксинов с

ность Prdx не зависит от кофакторов.

H₂O₂ происходит одинаково быстро, в то время

Пероксидативный остаток цистеина в актив

как восприимчивость к гипероксидации сильно

ном центре Prdx необходим для реакции с пе

варьируется. Возможность для остатка C_PSOH

роксидом. Способность остатков цистеина всту

быстро вступать в реакцию с другой молекулой

пать в реакцию зависит от степени их иониза

H₂O₂ исчезает, как только он выходит из карма

ции [30], и значение pK_a для C_PSH оказалось

на активного центра и приобретает конформа

равным 6 [27, 31], что поддерживает его в иони

ционное состояние LU. Структура C концевого

зированном состоянии при физиологических

хвостового участка, на котором располагается

значениях pH. Однако реакционная способ

C_RSH, оказывает влияние на чувствительность к

ность пероксиредоксинов на много порядков

гиперокислению. 2 Cys пероксиредоксины мле

превышала значения, определенные для других

копитающих, которые в отличие от бактериаль

тиол зависимых ферментов [32]. Исключитель

ных ферментов намного более чувствительны к

ная реакционная способность C_PSH обусловле

гиперокислению, имеют дополнительную C

на высокоорганизованной сетью водородных

концевую петлю, содержащую мотив GGLG и

связей в активном центре фермента и нахожде

спираль, содержащую мотив YF. Эти последова

нием в непосредственной близости консерва

тельности присутствуют только у пероксид

тивных остатков пролина, аргинина и треонина

чувствительных Prdx, и они замедляют способ

[11-13, 33, 34]. Их координированное действие

ность C_RSH реагировать с C_PSOH. В результате

стабилизирует переходное состояние со связан

появляется повышенная возможность для

ным субстратом, ослабляет связь -O-O- и

C_PSOH вступать в реакцию с другой молеку

приближает проксимальный атом кислорода к

лой H₂O₂ [39].

C_PSH. По видимому, даже более отдаленные от

Кроме того, 2 Cys пероксиредоксины мле

C_PSH аминокислоты участвуют в поддержании

копитающих отличаются друг от друга по их

его высокой реактивности, поскольку их мута

чувствительности к гиперокислению. Так, ци

ции резко снижают скорость реакции [35-37].

топлазматический белок Prdx2 в 10 раз более

Положение C_PSH в активном центре фер

подвержен гиперокислению, чем митохондри

мента позволяет проведение агрессивной нуклео

альный белок Prdx3 [26], а Prdx1 располагается

фильной атаки на широкий спектр субстратов

между ними [41]. Мутации с заменой аминокис

типа ROOH. В то же время высокая реакцион

лотных остатков в C концевом хвостовом участ

ная способность Prdx в отношении пероксидов

ке могут делать Prdx2 менее чувствительным, а

не проявляется в отношении других электрофи

Prdx3 более чувствительным к гиперокисле

лов. Типичные тиоловые реагенты, такие как

нию [42].

иодоацетамид и хлорамины, взаимодействуют с

Восстановление 2 Cys Prdx. Показано, что

C_PSH намного медленнее, чем с другими тиола

тиоредоксин эффективно восстанавливает ди

ми с низкими значениями pK_a [27, 38].

сульфидные связи в 2 Cys пероксиредоксинах

Структурные исследования показали, что

(рис. 2). Для поддержания пероксиредоксинов в

C_PSH располагается в основании кармана ак

восстановленной форме их рециклизует Trx с

БИОХИМИЯ том 86 вып. 1 2021

104

ПЕСКИН, УИНТЕРБОРН

помощью тиоредоксинредуктазы с использова

этапов. Сначала Srx катализирует фосфорили

нием NADPH в качестве источника восстанови

рование C_PSO₂H за счет ATP. Затем под воздей

тельных эквивалентов [7]. Следовательно, ката

ствием Srx эфир сульфиновой кислоты и фос

литическое восстановление ROOH Prdx в клетке

форила подвергается гидролизу с образованием

зависит от поддержки других тиол содержащих

тиосульфината c Prdx. На следующем этапе при

соединений и общего состояния метаболизма,

участии GSH образуются глутатионилирован

которое обеспечивает клетку достаточным ко

ные Srx и C_PSOH. Для полного восстановления

личеством восстанавливающих эквивалентов.

далее необходимо вернуть сульфенилирован

Так, синдром дефицита глюкозо 6 фосфатде

ный Prdx в его восстановленное состояние, а

гидрогеназы ограничивает продукцию NADPH

также привлечь дополнительную молекулу GSH

по пентозофосфатному пути и препятствует эф

для рециклизации Srx [24, 46]. Очевидно, что

фективному восстановлению уровня Prdx2 в

энергетические затраты на восстановление ги

эритроцитах в условиях окислительного стрес

перокисленных Prdx высоки, что говорит о важ

са [43].

ности этого процесса.

Кроме системы Trx, рециклизация также мо

Исследования структуры гиперокисленного

жет быть осуществлена системой GSH и Grx

Prdx2 показали, что C_PSO₂H погружен в актив

[23], как это показано на рис. 3. Эти две системы

ный центр. Поэтому было неясно, как чисто ме

могут дополнять друг друга, например в эритро

ханически Srx может получить к нему доступ.

цитах. В условиях пониженной активности TrxR

Анализ кристаллической структуры комплекса

[44] GSH и Grx могут взять на себя бремя рецик

Prdx-Srx показал, что белки тесно переплетены

лизации белков Prdx.

с полностью развернутой структурой C конце

Также был обнаружен эффект кооператив

вого участка Prdx, располагающегося на обрат

ности в процессе восстановления двух дисуль

ной стороне Srx вдали от активного центра Srx

фидов в полностью окисленных димерах Prdx.

[47]. Такое изощрённое взаимодействие белков

Оказалось, что дитиотрейтол зависимое восста

предполагает, что Srx эволюционировал у эука

новление второго дисульфида протекает при

риот строго специфично для восстанoвления

мерно в 2 раза быстрее [40].

сульфиновой кислоты в Prdx.

Гиперокисление 2 Cys Prdx. Гиперокисление,

Для того чтобы произошло гиперокисление,

которое исходно рассматривалось как инакти

C_PSOH должен вступить в реакцию со второй

вация пероксиредоксинов, может быть повер

молекулой H₂O₂ вместо того, чтобы вместе с

нуто вспять сульфиредоксином [45]. Эта реак

C_RSH образовать дисульфид (рис. 1). Это можно

ция проходит медленно и состоит из нескольких

наблюдать в экспериментах in vitro при непре

Рис. 3. Схематическое изображение восстановления дисульфидной связи в подвергшемся окислению димере Prdx. Для

упрощения показан один активный центр. Восстановление может происходить под действием тиоредоксина (Trx) или

глутатиона (GSH) с участием глутаредоксина (Grx)

БИОХИМИЯ том 86 вып. 1 2021

РОЛЬ 2 Cys ПЕРОКСИРЕДОКСИНОВ

105

рывном определении пероксидазной активнос

жен механизм «шлюза», основанный на чувстви

ти, когда Prdx смешивается с H₂O₂ в присут

тельности Prdx млекопитающих к гиперокисле

ствии Trx, TrxR и NADPH и регистрируется ско

нию. В своей первоначальной форме теория

рость окисления NADPH. При каждом обороте

предполагала, что Prdx потребляет H₂O₂ до тех

цикла происходит окисление части C_PSOH. По

пор, пока окислитель не накапливается до доста

этому со временем процесс окисления NADPH

точно высокого уровня, чтобы подвергнуть Prdx

замедляется из за накопившихся гиперокислен

гиперокислению, и в этот момент другие менее

ных Prdx [20, 48]. С другой стороны, в экспери

реактивные мишени способны подвергаться

ментах с очищенными восстановленными Prdx

окислению [39]. Теория «шлюза» также может

было показано, что оборот не является необхо

быть интерпретирована как механизм, который

димым для гиперокисления, и при значитель

освобождает Trx от восстановления Prdx, что

ной концентрации H₂O₂ процесс гиперокисле

приводит к увеличению активности Trx, доступ

ния в единичном цикле может одержать верх

ной для восстановления других мишеней [49].

над образованием C_PS-SC_R [26]. В гиперокисле

Другим объяснением окисления тиоловых

нии пероксиредоксинов в клетках могут быть

белков, медленно реагирующих с H₂O₂, может

задействованы оба механизма. Однако остаются

быть то, что пероксиредоксины действуют как

некоторые моменты, которые необходимо про

сенсоры H₂O₂ и направляют окислительные эк

яснить, - почему в присутствии Trx, TrxR и

виваленты к соответствующим белкам, таким

NADPH степень гиперокисления Prdx меньше,

как фосфатазы и факторы транскрипции при

чем предсказываемая на основе констант ско

помощи механизма эстафеты (relay) [50]. Роль

рости реакции второго порядка, полученных в

пероксиредоксинов в H₂O₂ опосредованной пе

экспериментах с очищенными белками.

редаче сигнала нашла строгое эксперименталь

Функции пероксиредоксинов. В клетках Prdx

ное подтверждение. Кроме того, были обнару

не ограничены одной физиологической ролью.

жены смешанные дисульфидные связи перок

Скорее они являются центральными фигурами

сиредоксинов и белков мишеней в клетках, об

в редокс метаболизме и могут выполнять раз

работанных H₂O₂ [51-53]. В отдельных случаях

личные функции.

доказать, что такие эстафеты существуют до

Высокая реакционная способность, а также

вольно непросто. Например, при обработке кле

высокой уровень экспрессии белка в клетках

ток низкими дозами H₂O₂ (i) видно синхронное

позволяет считать, что в первую очередь с пере

окисление Prdx2 и CRMP2 (collapsin response

кисями реагируют Prdxs [32]. В этой связи их

mediator protein 2), (ii) иммунопреципитация

можно рассматривать как антиоксидантные

Prdx2 происходит совместно с CRMP2, (iii) в

ферменты наряду с супероксиддисмутазами

клетках можно наблюдать ко локализацию этих

(SOD), глутатионпероксидазами (Gpxs) и ката

двух белков. Однако смешанного дисульфида

лазами.

обнаружено не было. В клеточной среде такие

Помимо их эффективности, широкий круг

смешанные дисульфиды могут быть слишком

их субстратов, включая пероксинитрит, делает

короткоживущими из за быстрого восстановле

Prdxs незаменимыми антиоксидантами. Так,

ния, кроме того, их можно не увидеть in vitro, ес

гидроперекиси свободных аминокислот и бел

ли для объединения партнеров необходим дру

ков представляют серьезную угрозу для клеток,

гой (скаффолд) белок [54].

и Prdxs являются единственными известными

Чисто механически эта эстафета может про

белками, способными удалять их [22]. Еще одна

исходить через (i) обмен тиольными группами

важная особенность заключается в том, как

между дисульфидной связью в Prdx и восстанов

Prdxs удаляют H₂O₂. В отличие от каталаз, они

ленным белком мишенью или (ii) образование

не выделяют кислород в качестве продукта реак

смешанной дисульфидной связи в том случае,

ции и, следовательно, полностью подавляют об

если белок мишень реагирует с C_PSOH, вытес

разование активных форм кислорода.

няя C_RSH. Аргументы против механизма обмена

Результаты расчетов реакционной способ

могут быть следующие: (i) относительно низкая

ности и количества Prdx показывают, что другие

скорость обмена тиольных групп и (ii) конку

тиол содержащие мишени, медленно реагирую

ренция с GSH, Trx и другими белками, содержа

щие с H₂O₂, внутри клеток не должны подвер

щими тиольную группу. Однако механизмы об

гаться окислению. Однако в действительности

мена нельзя сбрасывать со счетов, поскольку,

обработка клеток Н₂О₂ приводит к окислению

теоретически, они могут быть облегчены с по

этих тиоловых белков, чего, исходя из их низкой

мощью скафолда. С другой стороны, особен

реакционной способности, теоретически, не

ности энзимологии 2 Cys Prdx делают возмож

должно было произойти [32]. Для описания роли

ной реакцию белка мишени с C_PSOH. Скорость

Prdx в регуляции редокс гомеостаза был предло

димеризации пероксиредоксинов относительно

БИОХИМИЯ том 86 вып. 1 2021

106

ПЕСКИН, УИНТЕРБОРН

мала (2 с^-1 - в случае Prdx2), в то время как об

сохраняя целостность структуры белков. Они

разование C_PSOH протекает в течение микросе

также могут обнаруживать пероксиды и переда

кунд [21, 26]. Относительно небольшая скорость

вать окислительно восстановительные сигналы

конденсации с C_RSH обеспечивает возможность

другим белкам. Неудивительно, что такие уни

для C_PSOH вступать в реакцию с другой ми

версальные белки вовлечены в различные пато

шенью. Это может быть дополнительно усилено

логии [58, 59]. Например, в раковых клетках

тем, что имеется эффект отрицательной коопе

наблюдается повышение экспрессии перокси

ративности, который вдвое снижает скорость

редоксинов [60]. Естественно, идёт поиск спе

конденсации второго активного центра, когда

цифичного ингибитора Prdx. Однако это не

один дисульфид уже образован [40].

простая задача: найти ингибитор, который мо

Функция шаперона, защищающая другие

жет целенаправленно воздействовать на тиоль

белки от инактивации, была признана в качест

ные группы в белке Prdx и при этом не действо

ве физиологической роли пероксиредоксинов

вать на тиольные группы в других белках. Так,

еще до того момента, когда стала известна их

биологический эффект аденантина (дитерпено

высокая реакционная способность в отношении

ида, выделенного из листьев, который индуци

ROOH [55]. Нековалентные димеры Prdx орга

рует дифференцировку клеток острой промие

низованы в регулярные пончикообразные

лоцитической лейкемии) исходно был ассоци

структуры. Эти декамеры (или додекамеры) мо

ирован с его целенаправленным воздействием

гут защищать другие белки от инактивации и аг

на 2 Cys пероксиредоксины [61]. Однако оказа

регации. Образование дисульфидов в димерах

лось, что аденантин также реагирует с другими

Prdx снижает стабильность этих тороидов, в то

тиолами и гораздо более избирателен для селе

время как гиперокисление делает их более ста

ноцистеин зависимой TrxR, вызывая таким об

бильными. Таким образом, Prdxs в их восстанов

разом накопление окисленного Prdx путем ин

ленном и гиперокисленном состояниях могут

гибирования рециркуляции Trx [62].

осуществлять функцию шаперонов [56]. Шапе

Определенно может показаться, что есть про

роновая активность Prdx может не только защи

тиворечие в том, что один и тот же белок выпол

щать белки от инактивации и агрегации, но и

няет две роли: и выявление, и разрушение окси

способствовать восстановлению неправильно

дантa. Можно предположить, что сочетание вы

свернутых белков. Гиперокисленный Prdx вмес

сокой реакционной способности, сложного ме

те с Hsp70 образует комплексы с неправильно

ханизма рециркуляции, положительной коопе

свернутыми белками с последующим рекрути

ративности в начальной реакции с окислителем и

рованием Hsp104. Затем Srx присоединяется к

отрицательной кооперативности в димеризации

комплексу, и после восстановления C_PSO₂H

позволяет 2 Cys Prdxs сочетать эти задачи.

происходит разрушение комплекса с высвобож

дением восстановленного нативного белка [57].

Конфликт интересов. Авторы заявляют об от

сутствии конфликта интересов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Соблюдение этических норм. Настоящая

статья не содержит описания выполненных ав

2 Cys пероксиредоксины способны защи

торами исследований с участием людей или ис

щать клетки эффективно инактивируя ROOH и

пользованием животных в качестве объектов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Kim, K. H., Lee, K. Y., Kim, I. H., Rhee, S. G., and

hydroperoxide reductase and thiol specific antioxidant

Stadtman, E. R. (1988) The Isolation and purification of a

define a large family of antioxidant enzymes, Proc. Natl.

specific protector protein which inhibits enzyme inactiva

Acad. Sci. USA, 91, 7017 7021.

tion by a thiol/Fe(III)/O₂ mixed function oxidation sys

Jacobson, F. S., Morgan, R. W., Christman, M. F., and

tem, J. Biol. Chem., 263, 4704 4711.

Ames, B. N. (1989) An alkyl hydroperoxide reductase from

Kim, I. H., Kim, K., and Rhee, S. G. (1989) Induction of

Salmonella typhimurium involved in the defense of DNA

an antioxidant protein of Saccharomyces cerevisiae by O₂,

against oxidative damage. Purification and properties,

Fe³⁺, or 2 mercaptoethanol, Proc. Natl. Acad. Sci. USA,

J. Biol. Chem., 264, 1488 1496.

86, 6018 6022.

Tartaglia, L. A., Storz, G., Brodsky, M. H., Lai, A., and

Chae, H. Z., Kim, I. H., Kim, K., and Rhee, S. G. (1993)

Ames, B. N. (1990) Alkylhydroperoxide reductase from

Cloning, sequencing, and mutation of thiol specific

Salmonella typhimurium. Sequence and homology to

antioxidant gene of Saccharomyces cerevisiae, J. Biol.

thioredoxin reductase and other flavoprotein disulfideoxi

Chem., 268, 16815 16821.

doreductases, J. Biol. Chem., 265, 10535 10540.

Chae, H. Z., Robison, K., Poole, L. B., Church, G.,

Chae, H. Z., Chung, S. J., and Rhee, S. G. (1994)

Storz, G., and Rhee, S. G. (1994) Cloning and sequencing

Thioredoxin dependent peroxide reductase from yeast,

of thiol specific antioxidant from mammalian brain: alkyl

J. Biol. Chem., 269, 27670 27678.

БИОХИМИЯ том 86 вып. 1 2021

РОЛЬ 2 Cys ПЕРОКСИРЕДОКСИНОВ

107

Poole, L. B., and Nelson, K. J. (2016) Distribution and fea

(2013) Hyperoxidation of peroxiredoxins 2 and 3: rate con

tures of the six classes of peroxiredoxins, Mol. Cells, 39, 53 59.

stants for the reactions of the sulfenic acid of the peroxi

Knoops, B., Loumaye, E., and Van Der Eecken, V. (2007)

datic cysteine, J. Biol. Chem., 288, 14170 14177.

Evolution of the peroxiredoxins, in Peroxiredoxin systems.

27.

Peskin, A. V., Low, F. M., Paton, L. N., Maghzal, G. J.,

Subcellular biochemistry, vol 44, (Flohé, L., and Harris,

Hampton, M. B., and Winterbourn, C. C. (2007) The high

J. R., eds.) Springer, Dordrecht.

reactivity of peroxiredoxin 2 with H₂O₂ is not reflected in

10.

Harris, J. R. (1969) Some negative staining features of a

its reaction with other oxidants and thiol reagents, J. Biol.

protein from erythrocyte ghosts, J. Mol. Biol., 46, 329 335.

Chem., 282, 11885 11892.

11.

Wood, Z. A., Schröder, E., Harris, J. R., and Poole, L. B.

28.

Winterbourn, C. C., and Peskin, A. V. (2016) Kinetic

(2003) Structure, mechanism and regulation of peroxire

approaches to measuring peroxiredoxin reactivity, Mol.

doxins, Trends Biochem. Sci., 28, 32 40.

Cells, 39, 26 30.

12.

Hall, A., Parsonage, D., Poole, L. B., and Karplus, P. A.

29.

Carvalho, L. A. C., Truzzi, D. R., Fallani, T. S., Alves,

(2010) Structural evidence that peroxiredoxin catalytic

S. V., Toledo, J. C., et al. (2017) Urate hydroperoxide oxi

power is based on transition state stabilization, J. Mol.

dizes human peroxiredoxin 1 and peroxiredoxin 2, J. Biol.

Biol., 402, 194 209.

Chem., 292, 8705 8715.

13.

Pedre, B., van Bergen, L. V., Pallo, A., Rosado, L. A.,

30.

Winterbourn, C. C., and Metodiewa, D. (1999) Reactivity

Dufe, V. T., et al. (2016) The active site architecture in per

of biologically important thiol compounds with superoxide

oxiredoxins: a case study on Mycobacterium tuberculosis

and hydrogen peroxide, Free Radic. Biol. Med., 27, 322

AhpE, Chem. Commun., 52, 10293 10296.

328.

14.

Netto, L. E. S., Chae, H. Z., Kang, S. W., Rhee, S. G.,

31.

Nelson, K. J., Parsonage, D., Hall, A., Karplus, P. A., and

and Stadtman, E. R. (1996) Removal of hydrogen peroxide

Poole, L. B. (2008) Cysteine pKa values for the bacterial

by thiol specific antioxidant enzyme (Tsa) is involved with

peroxiredoxin AhpC, Biochemistry, 47, 12860 12868.

its antioxidant properties: Tsa possesses thiol peroxidase

32.

Winterbourn, C. C. (2008) Reconciling the chemistry and

activity, J. Biol. Chem., 271, 15315 15321.

biology of reactive oxygen species, Nat. Chem. Biol., 4, 278

15.

Hofmann, B., Hecht, H. J., and Flohe, L.

(2002)

286.

Peroxiredoxins, Biol. Chem., 383, 347 364.

33.

Schröder, E., Littlechild, J. A., Lebedev, A. A.,

16.

Dietz, K. J. (2003) Plant peroxiredoxins, Annu. Rev. Plant

Errington, N., Vagin, A. A., and Isupov, M. N. (2000)

Biol., 54, 93 107.

Crystal structure of decameric 2 Cys peroxiredoxin from

17.

Bryk, R., Griffin, P., and Nathan, C. (2000) Peroxynitrite

human erythrocytes at 1.7 Å resolution, Structure, 8, 605

reductase activity of bacterial peroxiredoxins, Nature, 407,

615.

211 221.

34.

Hall, A., Nelson, K., Poole, L. B., and Karplus, P. A.

18.

Wong, C. M., Zhou, Y., Ng, R. W. M., Kung, H. F., and

(2011) Structure based insights into the catalytic power

Jin, D. Y. (2002) Cooperation of yeast peroxiredoxins

and conformational dexterity of peroxiredoxins, Antioxid.

Tsa1p and Tsa2p in the cellular defense against oxidative

Redox Signal., 15, 795 815.

and nitrosative stress, J. Biol. Chem., 277, 5385 5394.

35.

Parsonage, D., Youngblood, D. S., Sarma, G. N., Wood,

19.

Ogusucu, R., Rettori, D., Munhoz, D. C., Netto, L. E.,

Z. A., Karplus, P. A., and Poole, L. B. (2005) Analysis of

and Augusto, O. (2007) Reactions of yeast thioredoxin per

the link between enzymatic activity and oligomeric state in

oxidases I and II with hydrogen peroxide and peroxynitrite:

AhpC, a bacterial peroxiredoxin, Biochemistry, 44, 10583

rate constants by competitive kinetics, Free Radic. Biol.

10592.

Med., 42, 326 334.

36.

Nagy, P., Karton, A., Betz, A., Peskin, A. V., Pace, P., et al.

20.

Manta, B., Hugo, M., Ortiz, C., Ferrer Sueta, G.,

(2011) Model for the exceptional reactivity of peroxiredox

Trujillo, M., and Denicola, A. (2009) The peroxidase and

ins 2 and 3 with hydrogen peroxide: a kinetic and compu

peroxynitrite reductase activity of human erythrocyte per

tational study, J. Biol. Chem., 286, 18048 18055.

oxiredoxin 2, Arch. Biochem. Biophys., 484, 146 154.

37.

Yewdall, N. A., Peskin, A. V., Hampton, M. B., Goldstone,

21.

De Armas, M. I., Esteves, R., Viera, N., Reyes, A. M.,

D. C., Pearce, F. G., and Gerrard, J. A. (2018) Quaternary

Mastrogiovanni, M., et al. (2019) Rapid peroxynitrite

structure influences the peroxidase activity of peroxiredox

reduction by human peroxiredoxin 3: implications for the

in 3, Biochem. Biophys. Res. Commun., 497, 558 563.

fate of oxidants in mitochondria, Free Radic. Biol. Med.,

38.

Stacey, M. M., Peskin, A. V., Vissers, M. C., and

130, 369 378.

Winterbourn, C. C. (2009) Chloramines and hypochlorous

22.

Peskin, A. V., Cox, A. G., Nagy, P., Morgan, P. E.,

acid oxidize erythrocyte peroxiredoxin 2, Free Radic. Biol.

Hampton, M. B., and Winterbourn, C. C. (2010) Rapid

Med., 47, 1468 1476.

removal of amino acid, peptide and protein hydroperoxides

39.

Wood, Z. A., Poole, L. B., and Karplus, P. A (2003)

by reaction with peroxiredoxins 2 and 3, Biochem. J., 432,

Peroxiredoxin evolution and the regulation of hydrogen

313 321.

peroxide signaling, Science, 300, 650 653.

23.

Peskin, A. V., Pace, P. E., Behring, J. B., Paton, L. N.,

40.

Peskin, A. V., Meotti, F. C., de Souza, L. F., Anderson,

Soethoudt, M., Bachschmid, M. M., and Winterbourn,

R. F., Winterbourn, C. C., and Salvador, A. (2020) Intra

C. C. (2016) Glutathionylation of the active site cysteines

dimer cooperativity between the active site cysteines during

of peroxiredoxin 2 and recycling by glutaredoxin, J. Biol.

the oxidation of peroxiredoxin 2, Free Radic. Biol. Med.,

Chem., 291, 3053 3062.

158, 115 125.

24.

Chang, T. S., Jeong, W., Woo, H. A., Lee, S. M., Park, S.,

41.

Bolduc, J. A., Nelson, K. J., Haynes, A. C., Lee, J., Reisz,

and Rhee, S. G. (2004) Characterization of mammalian

J. A., et al. (2018) Novel hyperoxidation resistance motifs

sulfiredoxin and its reactivation ofhyperoxidized peroxire

in 2 Cys peroxiredoxins, J. Biol. Chem., 293, 11901 11912.

doxin through reduction of cysteine sulfinic acid in the

42.

Poynton, R. A., Peskin, A. V., Haynes, A. C., Lowther,

active site to cysteine, J. Biol. Chem., 279, 50994 51001.

W. T., Hampton, M. B., and Winterbourn, C. C. (2016)

25.

Perkins, A., Poole, L. B., and Karplus, P. A. (2014) Tuning

Kinetic analysis of structural influences on the susceptibil

of peroxiredoxin catalysis for various physiological roles,

ity of peroxiredoxins

2 and

3 to hyperoxidation,

Biochemistry, 53, 7693 7705.

Biochem. J., 473, 411 421.

26.

Peskin, A. V., Dickerhof, N., Poynton, R. A., Paton, L. N.,

43.

Cheah, F. C., Peskin, A. V., Wong, F. L., Ithnin, A.,

Pace, P. E., Hampton, M. B., and Winterbourn, C. C.

Othman, A., and Winterbourn, C. C. (2014) Increased

БИОХИМИЯ том 86 вып. 1 2021

108

ПЕСКИН, УИНТЕРБОРН

basal oxidation of peroxiredoxin 2 and limited peroxire

53. Sobotta, M. C., Liou, W., Stocker, S., Talwar, D.,

doxin recycling in glucose 6 phosphate dehydrogenase

Oehler, M., et al. (2015) Peroxiredoxin 2 and STAT3 form a

deficient erythrocytes from newborn infants, FASEB J., 28,

redox relay for H₂O₂ signaling, Nat. Chem. Biol., 11, 64 70.

3205 3210.

54. Pace, P. E., Peskin, A. V., Konigstorfer, A., Jasoni, C. J.,

44.

Low, F. M., Hampton, M. B., Peskin, A. V., and

Winterbourn, C. C., and Hampton, M. B.

(2018)

Winterbourn, C. C. (2007) Peroxiredoxin 2 functions as a

Peroxiredoxin interaction with the cytoskeletal regulatory

noncatalytic scavenger of low level hydrogen peroxide in

protein CRMP2: investigation of a putative redox relay,

the erythrocyte, Blood, 109, 2611 2617.

Free Radic. Biol. Med., 129, 383 393.

45.

Woo, H. A., Chae, H. Z., Hwang, S. C., Yang, K. S.,

55. Jang, H. H., Lee, K. O., Chi, Y. H., Jung, B. G., Park,

Kang, S. W., et al. (2003) Reversible oxidation of the cat

S. K., et al. (2004) Two enzymes in one; two yeast perox

alytic site of cysteine of peroxiredoxins to cysteine sulfinic

iredoxins display oxidative stress dependent switching

acid in mammalian cells, Science, 300, 653 656.

from a peroxidase to a molecular chaperone function, Cell,

46.

Biteau, B., Labarre, J., and Toledano, M. B. (2003) ATP

117, 625 635.

dependent reduction of cysteine sulphinic acid by S. cere

56. Teixeira, F., Castro, H., Cruz, T., Tse, E., Koldewey, P.,

visiae sulphiredoxin, Nature, 425, 980 984.

et al. (2015) Mitochondrial peroxiredoxin functions as cru

47.

Jönsson, T. J., Lynnette, C., Johnson, L. C., and Lowther,

cial chaperone reservoir in Leishmania infantum, Proc.

W. T. (2008) Structure of the sulphiredoxin-peroxiredoxin

Natl. Acad. Sci. USA, 112, E616 E624.

complex reveals an essential repair embrace, Nature, 451,

57. Hanzén, S., Vielfort, K., Yang, J., Roger, F., Andersson, V.,

98 101.

et al. (2016) Lifespan control by redox dependent recruitment

48.

Chae, H. Z., Kim, H. J., Kang, S. W., and Rhee, S. G.

of chaperones to misfolded proteins, Cell, 166, 140 151.

(1999) Characterization of three isoforms of mammalian

58. Kisucka, J., Chauhan, A. K., Patten, I. S., Yesilaltay, A.,

peroxiredoxin that reduce peroxides in the presence of

Neumann, C., et al. (2008) Peroxiredoxin1 prevents exces

thioredoxin, Diabetes Res. Clin. Pract., 45, 101 112.

sive endothelial activation and early atherosclerosis, Circ.

49.

Veal, E. A., Underwood, Z. E., Tomalin, L. E., Morgan,

Res., 103, 598 605.

B. A., and Pillay, C. S. (2018) Hyperoxidation of peroxire

59. Radyuk, S. N., and Orr, W. C. (2018) The multifaceted

doxins: gain or loss of function? Antioxid. Redox Signal.,

impact of peroxiredoxins on aging and disease, Antioxid.

28, 574 590.

Redox Signal., 29, 1293 1311.

50.

Winterbourn, C. C., and Hampton, M. B.

(2015)

60. Forshaw, T. E., Holmila, R., Nelson, K. J., Lewis, J. E.,

Signalling via a peroxiredoxin sensor, Nature Chem. Biol.,

Kemp, M. L., et al. (2019) Peroxiredoxins in cancer and

11, 5 6.

response to radiation therapies, Antioxidants, 8, 11.

51.

Cao, J., Schulte, J., Knight, A., Leslie, N. R.,

61. Liu, C. X., Yin, Q. Q., Zhou, H. C., Wu, Y. L., Pu, J. X., et al.

Zagozdzon, A., et al. (2009) Prdx1 inhibits tumorigenesis

(2012) Adenanthin targets peroxiredoxin I and II to induce

via regulating PTEN/AKT activity, EMBO J., 28, 1505

differentiation of leukemic cells, Nat. Chem. Biol., 8, 486 493.

1517.

62. Soethoudt, M., Peskin, A. V., Dickerhof, N., Paton, L. N.,

52.

Jarvis, R. M., Hughes, S. M., and Ledgerwood, E. C.

Pace, P. E., and Winterbourn, C. C. (2014) Interaction of

(2012) Peroxiredoxin 1 functions as a signal peroxidase to

adenanthin with glutathione and thiol enzymes: Selectivity

receive, transduce, and transmit peroxide signals in mam

for thioredoxin reductase and inhibition of peroxiredoxin

malian cells, Free Radic. Biol. Med., 53, 1522 1530.

recycling, Free Radic. Biol. Med., 77, 331 339.

THE ENIGMA OF 2 Cys PEROXIREDOXINS: WHAT ARE THEIR ROLES?

Review

A. V. Peskin* and C. C. Winterbourn

Centre for Free Radical Research, University of Otago Christchurch, 8140 Christchurch,

New Zealand, E mail: alexander.peskin@otago.ac.nz

2 Cys peroxiredoxins are abundant thiol proteins that react efficiently with a wide range of peroxides. Unlike other

enzymes, their exceptionally high reactivity does not rely on cofactors. The mechanism of oxidation and reduction of

peroxiredoxins places them in a good position to act as antioxidants as well as key players in redox signaling.

Understanding of the intimate details of peroxiredoxin functioning is important for translational research.

Keywords: peroxiredoxin, thiols, redox, signaling, peroxide

БИОХИМИЯ том 86 вып. 1 2021