Прикладная биохимия и микробиология, 2021, T. 57, № 5, стр. 417-431

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О НЕФЕРМЕНТАТИВНОМ МЕТАБОЛИЗМЕ

Понятие “метаболизм” является одним из фундаментальных понятий биохимии и физиологии. В современном понимании метаболизм рассматривается как сложная система с большим количеством веществ и взаимосвязей между ними. За последние 20 лет в нее вошли и реакции, не вполне укладывающиеся в традиционное понимание метаболизма, хотя бы потому, что они не высоко интегрированы и не всегда целенаправлены. Эти реакции образуют так называемый альтернативный метаболизм, для обозначения которого в литературе можно встретить следующие термины: “параметаболизм”, “скрытый метаболизм”, “неканонический метаболизм”, “паралогический метаболизм”.

Первым, кто обратил внимание на присутствие в метаболизме неферментативных реакций и указал на их значение для живых систем, был Бартош [14]. Затем Голубевым была описаны основные спонтанно протекающие реакции и приведен перечень продуктов неферментативных взаимодействий [15]. Даже самим названием своей статьи “Изнанка метаболизма” он пытался показать, что понятие “метаболизм” шире традиционных представлений и включает реакции, не подчиняющиеся “молекулярной логике живого”. Для обозначения этой оборотной стороны метаболизма и были введены термины “параметаболизм” и “параметаболиты”.

Параметаболиты – это побочные продукты канонических метаболических путей и продукты неканонических метаболических путей. Список веществ, которые можно отнести к группе параметаболитов, достаточно обширен и включает вышеупомянутые АФК и АФА, реакционоспособные соединения серы и галогенов [12, 15, 16]. Отдельную группу реакционно-активных параметаболитов образуют продукты окисления глюкозы и липидов – АКС, вступающие в реакции неферментативного гликирования [9–12]. Описано около 500 неферментативных реакций, обнаруженных в биологических системах [17], большинство из которых наблюдаются крайне редко, поскольку в них участвуют малораспространенные соединения. Среди неферментативных реакций наиболее широко представлены реакции с участием свободных радикалов и реакции неферментативного гликирования.

В 1998 г. в биологическую науку было введено понятие о “скрытом метаболизме” (underground metabolism) [18]. Скрытый метаболизм включает реакции, которые катализируются нативными ферментами, в случае использования ими эндогенных метаболитов в качестве альтернативных субстратов. В 2015 г. Келлер с соавторами предложил использовать понятие “неканонического метаболизма”, объединяющего неферментативные реакции и побочные ферментативные [19, 20].

Появление реакционноспособных “случайных” метаболитов обусловлено несколькими причинами: 1) избыточной химической активностью метаболитов и 2) низкой избирательностью ферментов – появлением субстратной и/или каталитической мультиспецифичности, 3) реорганизацией метаболического потока.

Келлер предложил разделить неферментативные реакции, протекающие в клетке, на низкоспецифичные, задействующие широкий диапазон субстратов, специфичные и реакции, протекающие одновременно с ферментативными и неферментативными путями [19]. В табл. 2 приведены примеры таких реакций.

В живых системах предусмотрены различные пути управления ферментативными и неферментативными реакциями. Регуляция ферментативных реакций (скорость и направленность) происходит за счет изменения конформации молекулы фермента, в то время как регуляция неферментативных реакций осуществляется за счет изменения физико-химических параметров среды, а также на уровне генерации и/или детоксикации активных форм (табл. 3). Между этими двумя путями нет четкой границы. С одной стороны, участвующие в неферментативных реакциях активные формы, осуществляя посттрансляционную модификацию белков и регуляторных РНК, изменяют их конформацию и тем самым влияют на ферментативный метаболизм [21]. С другой стороны, функционирование антиоксидантных и антигликирующих ферментов определяет стационарные концентрации активных форм.

РОЛЬ НЕФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ В БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ

Несмотря на то, что многие активные метаболиты играют значительную роль в развитии различных патологий, все чаще отмечается целесообразность их присутствия в клетке. Основные функции неферментативных реакций и процессов в клеточном метаболизме перечислены в табл. 4.

Появление активных метаболитов приобретает особое значение в условиях стресса, когда они выступают в роли медиаторов фенотипической и генетической изменчивости. Зачастую происходящая в условиях стресса реорганизация метаболических сетей допускает усиленную генерацию активных форм (АФК и АКС) [12, 22], которые могут разными путями повышать вероятность адаптации клетки или популяции клеток.

Влияние стрессовых состояний на метаболизм и метаболом подробно рассмотрено в статье [20]. Здесь мы лишь вкратце опишем основные способы повышения эволюционного потенциала биологических систем при участии случайных химически активных метаболитов.

Защитное действие активных форм может проявляться напрямую и опосредованно. Прямая защита заключается в стабилизации белков клетки, например за счет образования внутрибелковых дисульфидных связей [23, 24] и комплексов с металлами [25, 27]. Опосредованная защита включает следующие процессы:

1) Регуляция центральных сигнальных путей клетки, в том числе ответственных за реакцию на стресс [11, 12, 28];

2) Перепрограммирование эпигенома через непосредственную модификацию гистонов и опосредованно через модификацию гистон-деацетилаз и ДНК-метилаз [11, 12];

3) Реорганизация метаболизма, появление дополнительных реакций за счет мультиспецифичности ферментов [29];

4) Запуск механизма стресс-индуцированного мутагенеза [22, 30].

Функционирование активных метаболитов в качестве датчиков стресса и регуляторов метаболической памяти мы описали в статье [12]. Здесь мы рассмотрим роль активных форм в реорганизации метаболизма и запуске стресс-индуцированного мутагенеза.

АФК, АФА и АКС, действуя как посттрансляционные модификаторы ферментов, могут влиять на их избирательность по отношению к каноническим субстратам или катализируемым реакциям. В результате этого в метаболизме появляются дополнительные реакции, некоторые из которых могут оказаться полезными для организма в изменившихся (стрессовых) условиях. Вышесказанное проиллюстрировано на рис. 1. Описанный механизм имеет большое значения для повышения адаптивного потенциала популяций бактериальных клеток [22].

Рис. 1.

Роль реакционноспособных метаболитов в реорганизации метаболизма в стрессовых условиях: выключение одних реакций из-за инактивации ферментов и появление дополнительных реакций, катализируемых модифицированными формами ферментов. Среди продуктов реакций могут быть активные формы: АФК, АФА и АКС.

Для закрепления нового типа организации метаболических путей необходимы кодовые системы, которые не обязательно являются новыми, а могут быть побочным продуктом процессов, изначально направленных на другие цели. Такими кодовыми системами могут быть некоторые посттрансляционные модификации, которые возникли как случайные и вредные, но впоследствии были приспособлены для нужд метаболизма. Например, неферментативный характер нитрозилирования – широко распространенной модификации белков, использующейся в трансдукции сигнала, указывает на ее “случайное” прошлое в метаболизме [31].

Рассмотрим и другой потенциальный способ защиты клетки в стрессовых условиях, заключающийся в запуске механизма стресс-индуцированного мутагенеза. Считается, что эволюция организмов происходит в направлении уменьшения энтропии. Контроль над энтропией последовательно распространяется по этапам передачи информации от ДНК к белку [20]. Самый значительный антиэнтропийный механизм – многоуровневая система контроля частоты ошибок, действующая на уровне репликации, транскрипции, трансляции, укладки и сортировки белков. Однако глобальная антиэнтропийная направленность эволюции не исключает одновременного существования механизмов, повышающих частоту ошибок.

Можно допустить, что образование редокс-активных молекул метаболически запрограммировано с целью поддержания определенной частоты фенотипических мутаций, которые не могут быть устранены антиэнтропийными механизмами, с целью обеспечения изменчивости, необходимой для эволюции. Обычно под фенотипическими мутациями понимают последствия ошибок транскрипции и трансляции. Мы полагаем, что вполне допустимо к фенотипическим мутациям отнести и стабильные неферментативные посттрансляционные модификации, вызванные химически активными метаболитами. В поддержку этой идеи выступает тот факт, что образование активных метаболитов в сильной степени стимулируется различными видами стресса. Эти соединения увеличивают фенотипическую изменчивость через совместный эффект посттрансляционных модификаций (непосредственное образование изменчивости) и проявления скрытой изменчивости (например, через HSP90) [12].

Описана роль АФК в эволюционном процессе и адаптации к стрессу [32, 33]. АКС в этом контексте менее изучены. В настоящее время активно обсуждается их роль в метаболизме, как посредников сигналов АФК [34, 36]. АФК индуцируют реакции перекисного окисления липидов, продукты которых – ненасыщенные альдегиды и кетоны, ковалентно модифицируют белки в неферментативных реакциях образования оснований Шиффа и аддуктов Михаэля.

К настоящему времени достаточно хорошо изучен механизм эволюционируемости с участием прионоподобных белков грибов. Показано функционирование прионов в качестве эволюционного “конденсатора”, накапливающего критические генетические вариации и обнажающего их в стрессовых условиях [37]. Прионы обеспечивают механизм быстрого появления в условиях стресса новых фенотипов, некоторые из которых могут иметь адаптивную ценность. Можно провести параллель между прионным механизмом эволюционируемости и аналогичным механизмом с участием активных форм. Во-первых, образование прионов и активных метаболитов стимулируется стрессом. Во-вторых, и прионы и активные метаболиты прежде всего оказывают влияние на гомеостаз белков. В-третьих, эти вещества участвуют в передаче информации, построенной на основе белков. Прионы индуцируют автокаталитическую пролиферацию белковых агрегатов, активные метаболиты через посттрансляционные модификации индуцируют образование белковых агрегатов, а также влияют на белковые детерминанты эпигенетической наследственности. В обычных условиях прионные белки и активные метаболиты вредны, поскольку первые снижают точность трансляции, а вторые вызывают неконтролируемые посттрансляционные модификации. Однако в условиях стресса эти вещества обеспечивают возможный механизм для быстрого приобретения новых фенотипов.

Обобщая вышесказанное, можно заключить, что в основе своей организации биологические системы являются квази-детерминированными, т. е. сочетают предопределение и случайность. Случайность в сочетании с естественным отбором является инструментами эволюции не только обмена веществ, но и генома [38].

РОЛЬ АКТИВНЫХ ФОРМ В РАЗВИТИИ АДАПТАЦИОННЫХ РЕАКЦИЙ КЛЕТКИ

Неспецифический адаптационный синдром клетки. Всем живым организмам для выживания необходимо адаптироваться к меняющимся условиям окружающей среды. Структурной и функциональной единицей организма является клетка, поэтому изменения в организме, происходящие при развитии адаптационных реакций, не могут не затрагивать клеточные системы. Ответ клеток на действие различных факторов сочетает общие (неспецифические) и специфические черты. Особенно отчетливо неспецифические реакции проявляются при высокоинтенсивных воздействиях, вызывающих повреждения.

Впервые стереотипный, неспецифический характер реакции на клеточном или тканевом уровне на действие разнообразных факторов описал Введенский [39]. Им был предложен термин “парабиоз” (около жизни), обозначающий состояние, близкое к смерти. В литературе можно встретить другие термины с аналогичным содержанием – “некробиоз” (на грани смерти и жизни) и “паранекроз” (около смерти). Все эти термины обозначают состояние клеток, развивающих комплекс признаков, соответствующих последним обратимым фазам повреждения.

Изучению стресса на клеточном уровне было посвящено огромное количество работ. Особого внимания заслуживают идеи основоположника этого направления в науке Насонова, и его последователей Александрова и Брауна. Насонов, воздействуя на различные клетки возрастающими дозами факторов различной природы, обнаружил двухфазный ответ клетки на стресс [40]. Впоследствии ученики Насонова связали это явление с разворачиванием нативной структуры белков и к освобождению реакционных центров, прежде всего SH-групп [41]. В этих работах было показано, что белки обнаруживают сходные изменения при раздражении и повреждении клетки, что позволило сформулировать “денатурационную теорию повреждения и возбуждения” [40]. Была также установлена роль конформационных изменений белков (лабилизации и стабилизации) в адаптации клеток [41]. Существование однотипных, неспецифических изменений физико-химических и метаболических параметров было описано при развитии адаптационной реакции клетки, что позволило применить по отношению к клетке понятие неспецифического адаптационного синдрома [42], которое ранее употребляли только по отношению к организму [43, 44]. Матвеев предложил обозначать неспецифическую компоненту клеточного ответа термином универсальная клеточная реакция [45].

Развитие адаптационного синдрома клетки сопровождается изменениями морфологических, физико-химических и биохимических параметров. Приведем наиболее общие, ранние и постоянные признаки повреждения клетки:

1) активация свободнорадикального окисления фосфолипидов мембран;

2) нарушение функционирования мембранных ферментов;

3) изменение свойств мембран – микровязкости, фосфолипидного состава, проницаемости и т.д.;

4) выход из клеток различных веществ (неорганических ионов, молочной, пировиноградной, кетоглутаровой кислот, белков, аминокислот);

5) разобщение окислительного фосфорилирования, прекращение дыхания;

6) усиление аэробного гликолиза;

7) ацидотический сдвиг (сдвиг pH цитоплазмы с 7.32–7.45 до 6.5–5.39);

8) выход из клетки калия, вход натрия и воды.

Эти изменения могут быть биологически целесообразными, т.е. до определенной степени выраженности они носят адаптивный характер и направлены на стабилизацию метаболизма при стрессе. В табл. 5 мы привели некоторые такие процессы, которые происходят в клетке на ранних стадиях действия стрессовых факторов до синтеза стрессовых белков.

Многие из этих процессов направлены на повышение стабильности макромолекул, снижение чувствительности и функциональности клетки, что приводит к снижению метаболической активности. Это состояние можно обозначить как “аварийный режим”. Переход клетки в такой режим сопровождается блокировкой ряда реакций, без которых можно обойтись, и включением других реакций, обеспечивающих устойчивость клеточной системы. Сужение метаболической активности направлено на сохранение резервов клетки для последующего восстановления.

Одним из факторов, стабилизирующих белковые молекулы и снижающих их реакционную активность, являются активные метаболиты (АФК и АКС), уровень которых повышается на начальных стадиях повреждения (развития стрессовой реакции) [46]. АФК продуцируются в результате нарушения метаболизма или как часть сети восприятия и передачи стрессового сигнала. Метаболические АФК напрямую изменяют окислительно-восстановительный статус ферментов, тем самым перестраивая метаболические потоки. Кроме того, они могут влиять на транскрипцию и трансляцию, изменяя активность ключевых регуляторных белков. Сигнальные АФК генерируются в ответ на стресс датчиками стресса, например, НАДФН-оксидазой.

Приспособление клетки к стрессовым условиям окружающей среды может быть краткосрочным или долговременным. Во втором случае включаются изменения в аппарате транскрипции, что приводит к синтезу стрессовых белков (белки теплового шока, шапероны, антиоксидантные ферменты, белки-антифризы и др.) Кроме того длительное и систематическое повторение воздействия, не выходящего за границы физиологического стресса, может индуцировать перестройки в эпигеноме [47]. Поскольку для реализации ответа, затрагивающего генную экспрессию, требуется время, в клетке предусмотрены механизмы быстрого ответа, формирующие краткосрочную адаптацию. Примером последнего является изменение конформации и биологической активности фермента при связывании активного метаболита с его регуляторным центром. Регуляторными центрами могут быть как структуры, комплементарные структуре биорегулятора, так и реакционноспособные аминокислотные остатки (например, цистеина или гистидина) в определенном участке полипептидной цепи. Первый тип регуляции является аллостерическим, второй – сайт-специфическим [12].

Активные метаболиты – индукторы метаболической пластичности. На различных экспериментальных моделях показано, что механизмы адаптации живых систем подчиняются правилу гормезиса. Гормезисом назван процесс, благодаря которому низкие дозы токсических веществ или факторов стресса делают клетку или весь организм более устойчивым к более высоким токсичным дозам стрессора за счет активации механизмов стрессоустойчивости. Гормезис – эволюционно консервативный универсальный адаптационный ответ, обеспечивающий метаболическую пластичность живых систем [48–50]. Графически он выражается в виде двухфазной U-образной или перевернутой U-образной кривой в координатах доза-ответ (рис. 2). Эта кривая описывает изменение уровня реактивности живой системы в зависимости от силы воздействия какого-либо фактора. Две фазы на гормезисной кривой (фаза активации и фаза угнетения функции) рассматриваются не как разные процессы, а как разные стадии одного и того же процесса развития адаптивного ответа [49]. Гормезисная кривая описывает пределы, до которых функции клетки (пролиферация, рост, миграция и др.) или организма (сложное поведение, обучение, память и др.) могут изменяться под действием химических или физических факторов [50].

Рис. 2.

Кривая, описывающая двухфазный ответ живой системы на различные факторы в зависимости от интенсивности воздействия.

История изучения двухфазных реакций берет начало с 1880 гг., когда Шульц испытывал различные дезинфицирующие средства на дрожжевых клетках [51]. Термин “гормезис” впервые был упомянут в 1943 г. в работе Соутхама и Эрлиха, исследовавших действие экстрактов красного кедра на метаболизм грибов [52]. В настоящее время концепция гормезиса активно развивается группой Калабрезе [49, 50, 53].

Гормезисный ответ присущ разным уровням организации живой материи – от белков до целого организма [50]. Живые организмы таким образом адаптируются к краткосрочным и долгосрочным стрессам [50, 54]. Однако до сих пор нет полного понимания молекулярных механизмов, обеспечивающих гормезис. Можно лишь сказать, что на каждом уровне структурной организации действуют свои механизмы. Реакция клетки, как правило, включает комплексную адаптивную программу, направленную на повышение антиоксидантной и электрофильной защиты. Происходит это благодаря двойственному действию активных метаболитов (АФК, АФА и АКС), которые в низких дозах активируют сигнальные пути ответа на стресс через неферментативные ПТМ метаболических и сигнальных ферментов, белков цитоскелета и факторов транскрипции (NF-kB, FoxOs, Nrf2 и другие редокс-регулируемые факторы) [11]. На рис. 3 показана роль активных метаболитов как индукторов гормезиса. Активные метаболиты опосредуют адаптивный гормезисный ответ клетки или организма на стресс через неферментативные посттрансляционные модификации (ПТМ) белков: окисление, нитрование, нитрозилирование, хлорирование, липоксидирование, гликирование.

Рис. 3.

Опосредование адаптивного гормезисного ответа клетки или организма на стресс через неферментативные посттрансдяционные модификации белков. HNE – 4-гидрокси-2-ноненаль, MDA – малоновый диальдегид, MG – метилглиоксаль, TPI – триозофосфатизомераза, GAPDH – глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа, OXPHOS – окислительное фосфорилирование, NOS – NO-синтаза.

Существенная роль в обеспечении гормезиса отводится АФК [55, 57]. Считается, что их продукция при низком и умеренном стрессе помогает клетке или организму адаптироваться к более сильным воздействиям. Поэтому для улучшения состояния здоровья и общей резистентности организма рекомендуют регулярную умеренную физическую активность, при которой образуются АФК [56]. Источником АФК при физических упражнениях выступают не только митохондрии, но и ферментативные реакции, катализируемые НАДФН-оксидазой, ксантиноксидазой и моноаминоксидазой. Образование АФК может быть вызвано кратковременной гипоксией из-за интенсивного потребления кислорода скелетными мышцами [58]. Активация антиоксидантных систем происходит и в других случаях, например, при умеренном потреблении алкоголя, вызывающем продукцию АФК [59].

Помимо физической активности, улучшению здоровья и увеличению продолжительности жизни способствует снижение калорийности питания или низкоуглеводная диета [60–62]. Этот эффект связан с уменьшением гликолитического потока, что сопряжено со снижением продукции метилглиоксаля, который за счет реакций неферментативного гликирования способствует старению клетки. С другой стороны, незначительные количества MG необходимы клетке для поддержания активности шаперона и антиапоптотического белка Hsp27 [62]. Поэтому обсуждается благотворный эффект периодического голодания, благодаря которому возможно поддержание продукции MG и АФК на уровне, достаточном для активации сигнальных путей защиты, и недостаточном для проявления токсического действия [61, 62].

Тот факт, что АФК и АКС необходимы организму для поддержания активности защитных систем, ставит под сомнение целесообразность приема больших количеств антиоксидантов и исключение из диеты углеводов.

БЕЛКОВЫЕ ЦИСТЕИНЫ – СЕНСОРЫ АКТИВНЫХ МЕТАБОЛИТОВ

Проявление неспецифической компоненты в адаптационном ответе клетки во многом является следствием взаимодействия активных метаболитов с реакционноспособными остатками цистеинов различных белков, в том числе ферментов, факторов транскрипции, мембранных каналов, рецепторов, белков цитоскелета [63–65]. Окислительно-восстановительные модификации цистеинов влияют на каталитическую активность, скорость обмена, субклеточную локализацию белков, белок-белковые [66] и белок-мембранные взаимодействия [67]. Они часто сочетаются с фосфорилированием/дефосфорилированием и с кальций-зависимыми путями передачи сигнала [68]. Таким образом происходит интеграция случайных реакций с ферментативным метаболизмом.

Цистеин не случайно был эволюционно выбран на роль датчика редокс-состояния клетки и активных метаболитов. Во-первых, эта аминокислота взаимодействует со многими АФК и АКС [36, 63, 64], а во-вторых, большая часть модификаций цистеина обратима. Обычно реакции между активными формами и белковыми цистеинами являются сайт-специфическими. Они зависят от микроокружения в молекуле белка, определяющего степень ионизации и доступность для воздействия активных метаболитов [12, 64, 69]. Белки, содержащие реакционноактивные SH-группы, получили название редокс-переключателей [36, 68]. На рис. 4 представлены основные продукты реакции цистеина с активными метаболитами. Совокупность посттрансляционных модификаций белковых цистеинов формирует так называемый цистеиновый протеом клетки.

Рис. 4.

Сопряжение окислительно-восстановительного метаболизма с ферментативным через цистеиновый протеом. CMC – карбоксиметилцистеин, CEC – карбоксиэтилцистеин, MG – метилглиоксаль.

Благодаря высокой чувствительности к редокс-активным метаболитам, цистеины функционируют как датчики окислительно-восстановительной среды клетки и активных метаболитов (окислителей и электрофилов). Окисленные или восстановленные тиолы – это своего рода переключатели для путей передачи сигнала, чувствительных к изменению окислительно-восстановительного состояния в условиях стресса [68]. Чаще всего цистеины подвергаются атаке со стороны АФК, а именно H₂O₂ и органических перекисей. В реакцию вступают только депротонированные цистеины в форме тиолата (–S^–). Окисление тиолата пероксидами приводит к образованию сульфеновой кислоты (–SOH), которая является ключевым игроком в окислительно-восстановительной передаче сигналов [64, 70]. Цистеинсульфеновые кислоты нестабильны и могут быть дополнительно окислены до необратимых форм: сульфиновой (‒SO₂H) и сульфоновой (–SO₃H) кислот. Возможны и другие модификации: образование дисульфидных связей (–SS–), S-глутатионилирование (–SSG) и образование сульфенамида (–SN=).

Разнонаправленное действие активных метаболитов отчасти объясняется их способностью активировать или блокировать сульфгидрильные группы белков редокс-переключателей в зависимости от концентрации. Благодаря этому настраивается чувствительность и резистентность клетки к данным окислительно-восстановительным условиям. В определенном интервале концентраций эти вещества могут высвобождать реакционный потенциал SH-групп. Механизмы активации могут быть разными. Наиболее интересен путь повышения реакционной способности SH-групп за счет распада лабильного комплекса, в состав которого они входят [23, 26, 69]. Это могут быть и комплексы с металлами (Fe, Zn, Сu, Ca).

Связывание белками металлов может быть одним из механизмов временного “выключения” белка из метаболических превращений в условиях сильного нарушения редокс-условий (окислительный, нитрозативный и карбонильный стресс).

В белках по мере нарушения пространственной структуры возникают дополнительные центры связывания металлов, в результате чего в клетке образуются стабильные белковые агрегаты со сниженной функциональной активностью [71]. Прогрессивное образование металл-белковых комплексов наблюдается при старении и в результате действия на белок повреждающих агентов, накапливающихся при развитии окислительного стресса и/или нарушении обменных процессов в организме [72, 73].

Одним из способов стабилизации белков и снижения их реакционной способности может быть включение белковых SH-групп в комплексы с NO (R–S–Fe²⁺(NO)₂) [69] (рис. 4). Образование таких комплексов блокирует цистеиновые остатки в нормальных условиях и сенсибилизирует их в условиях электрофильного/окислительного стресса, поскольку тиолы в составе комплекса находятся в активной ионизированной форме (в виде тиолят-аниона) и не нуждаются в предварительном депротонировании.

АКТИВНЫЕ МЕТАБОЛИТЫ – РЕГУЛЯТОРЫ МЕТАБОЛИЗМА РАКОВЫХ КЛЕТОК

Очень важным процессом, который может обсуждаться в данном контексте, является роль АФК в регуляция метаболизма раковых клеток. Такая регуляция также подчиняется механизму гормезиса. Антиоксидантный потенциал опухолевых клеток поддерживает определенный уровень АФК, активирующих проонкогенные сигналы, которые увеличивают выживаемость и пролиферацию клеток, а также устойчивость к апоптозу, но при этом не оказывают повреждающего действия [74].

Как известно, выраженными особенностями метаболизма раковых клеток является усиленный гликолиз даже при наличии высокой концентрации кислорода (эффект Варбурга или аэробный гликолиз) и постоянные высокие уровни АФК [5, 74, 75]. Сначала в ответ на АФК раковые клетки активируют гликолиз, затем АФК ингибируют ферменты гликолиза – глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназу, пируваткиназу M2 и фосфофруктокиназу [76]. Благодаря этому метаболический поток глюкозы перенаправляется на альтернативный пентозофосфатный путь [75], в котором образуется НАДФН – восстановительный эквивалент для антиоксидантных ферментов, включая систему глутатиона и тиоредоксинов [77]. Однако инактивация или ингибирование глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы способствует поступлению триозофосфатных интермедиатов гликолиза в глиоксалазный путь, в котором образуется активное карбонильное соединение – метилглиоксаль [78], чрезмерное накопление которого может привести к гибели клетки. Благодаря этому, глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа является важной терапевтической мишенью при лечении рака.

АКТИВНЫЕ ФОРМЫ – ПРОТОБИОРЕГУЛЯТОРЫ

В биологических системах существует особый вид трансдукции сигналов, в основе которого лежит модификация белков активными формами (окислителями и электрофилами). Отрицательные и положительные стороны такой сигнализации продиктованы историей возникновения живых систем, корни которой уходят в глубь эволюционного прошлого клетки, возможно даже в доклеточную эпоху, когда только возникли первые белковые катализаторы.

Восприятие и передача сигнала в современных биологических системах осуществляются белками, которые при действии определенных веществ изменяют структуру и свойства. Современный метаболизм построен на избирательном взаимодействии белков с веществами, однако в протометаболических системах избирательность была скорее исключением, нежели правилом. Белки, скорее всего, реагировали комплексно всеми своими доступными реакционными центрами на различные агенты, воспринимая их как сигналы (раздражители). Способность неспецифически реагировать сохранилась и у современных белков. Она обнаруживается в условиях действия высоких доз раздражителей. Если в современном метаболизме неспецифические реакции, как правило, нежелательны, то в протометаболизме это был обычный способ рецепции сигналов, позволяющей системе приспосабливаться к окружающей среде. Последствия неспецифических взаимодействий могли быть как полезны, так вредны для системы.

Способность активных форм обратимо взаимодействовать с реакционными остатками цистеинов в белках составляет основу внутриклеточной окислительно-восстановительной сигнализации. Именно в спонтанном характере этих реакций, в отсутствие строгой избирательности, кроется причина двойственности их эффектов. В низких концентрациях редокс-активные молекулы преимущественно модифицируют регуляторные белки, в более высоких – и другие белки клетки. В первом случае они действуют как адекватные раздражители (сигнальные молекулы), во втором – как неадекватные, индуцируя комплекс неспецифических адаптационных изменений, которые могут перейти в патологические.

АФК, АФА и АКС можно причислить к универсальным агентам, которые действуют в качестве неспецифических аллостерических эффекторов, доставшихся в наследство современному метаболизму от его эволюционного прошлого, а неспецифическую рецепцию – как одну из ступеней на пути возникновения специфической рецепции. Предположительно, окислительно-восстановительная сигнализация возникла благодаря стабилизации адаптивно ценных посттрансляционных изменений белков, которым они подвергались при нарушении гомеостатических параметров внутриклеточной среды еще на стадии первичных клеток. Такой сценарий происхождения рецепторов из пула белков, изначально подверженных модификации редокс-активными соединениями или участвующих в их метаболизме, представляется вполне правдоподобным.

Следует отметить и тот факт, что многие АФК и АКС являются побочными продуктами путей энергообеспечения клетки: электронтранспортных цепей митохондрий и гликолиза. Это означает, что их внутриклеточная концентрация несет информацию о состоянии катаболических путей, о недостатке пищевых субстратов или, наоборот, об их избытке. Например, побочный продукт гликолиза – метилглиоксаль сигнализирует о неспособности ферментативных путей утилизировать глюкозу. Кроме того, в условиях действия стрессовых факторов энергетические системы клетки страдают в первую очередь. В этом случае АФК и АКС выполняют функцию медиаторов стресса.

* * *

К настоящему времени перечень физиологических процессов пополнился такими явлениями, как окислительный митогенез, эпигенетическое наследование, фенотипическая пластичность, гормезис. Для объяснения механизмов, лежащих в основе этих явлений, представлений о ферментативных метаболических путях оказалось недостаточно. Поэтому назрела необходимость обозначить область в общем метаболизме клетки, которая лишь отчасти обусловлена функционированием ферментных систем и по сути является сетью неферментативных окислительно-восстановительных реакций, вызывающих посттрансляционные модификации белков: окисление, нитрозилирование, нитрование, липоксидирование, хлорирование, гликирование, ацилирование, тиолирование, образование продуктов Михаэля и др.

Возникновение специфичности, основанной на комплементарности структур взаимодействующих молекул, стало предпосылкой для каналирования метаболизма. Как известно, ферменты катализируют реакции, которые могут протекать и в их отсутствие, поскольку они термодинамически возможны. За счет повышения скорости нужных реакций, вероятность побочных реакций сводится к минимуму. Несмотря на то, что большинство метаболических процессов взято под ферментативный контроль, неферментативные реакции присутствуют в метаболизме и современных организмов.

Активные метаболиты играют важную роль в регуляции метаболической пластичности и эволюционируемости живых систем. С одной стороны, они обеспечивают устойчивость биологических макромолекул и систем, с другой, способствуют фенотипической изменчивости через демаскирование скрытой вариабельности. Сложно организованная система редокс-реакций с участием активных метаболитов и цистеинового протеома, а также широкое распространение этих реакций у всех живых организмов от бактерий до человека, не оставляет сомнений, что образование этих “случайных” активных форм совсем не случайно и представляет собой один из механизмов метаболической регуляции.