<<
>>

Ксантиноксидоредуктаза

Другим важным ферментативным источником О ~2 и Н202 является ксантиноксидоре­дуктаза, впервые обнаруженная в коровьем молоке более 100 лет назад [882]. У млеко­питающих фермент в нормальных условиях находится преимущественно в ксантинде- гидрогеназной форме (КФ 1.17.1.4, систематическое название «ксантин: НА Д+- оксидоредуктаза») и может обратимо или необратимо переходить в ксантиноксидазу (КФ 1.17.3.2, систематическое название «ксантин:кислород-оксидоредуктаза»), в резуль­тате соответственно образования дисульфидных связей цистеиновых остатков Cys535 и Cys992 (возможно, с участием сульфгидрильных оксидаз [253]) [821] или ограниченного протеолиза [753, 920] с вовлечением кальций-зависимых протеаз [942]; интересно, что у птиц фермент представлен только дегидрогеназной формой [461].

При ишемии органов наблюдается быстрая (в течение нескольких минут) трансформация ксантиндегидроге- назы в ксантиноксидазу [677], и в этот процесс могут вовлекаться АКМ [779]. Такой же быстрый переход фермента в оксидазную форму наблюдается при гомогенизации тка­ней, что существенно затрудняет определение истинного соотношения разных изоформ фермента in vivo.

Рис. 14. Взаимопревращения изоформ ксантиноксидоредуктазы

Основная физиологическая функция фермента - участие в катаболизме пуринов; при этом ксантиндегидрогеназная форма в качестве акцептора электронов использует глав­ным образом НАД+, оксидазная же - молекулярный кислород (рис. 15).

С помощью клонирования ДНК проведён аминокислотный анализ (около 1330 ами­нокислот) ферментов, выделенных из печени человека, крысы, мыши, цыпленка, а также из дрозофилы; они оказались гомологичными на 90 % [250]. Ген, кодирующий ксанти- ноксидазу, локализован в 22 хромосоме человека (участок 2р22) [1086] и в 17 хромосоме мыши [232] и содержит 36 экзонов.

Базальная экспрессия ксантиноксидоредуктазы человека низка (особенно по сравне­нию с другими млекопитающими), однако транскрипция фермента существенно усили­вается под действием цитокинов (интерферону, интерлейкин-1, интерлейкин-6, ФНО-а), гормонов (дексаметазон, кортизол, пролактин), липополисахарида, гипоксии; в качестве негативного регулятора выступает гипероксия [167]. Изменение парциального давления кислорода действует и на посттранскрипционном уровне: активность ксантиноксидоре­дуктазы эндотелиоцитов аорты быка в условиях гипоксии повышалась в 2 раза без изме­нения экспрессии мРНК в течение 24 ч [789] (аналогичный эффект снижения р02 на­блюдался и в фибробластах [980]), а при гипероксии активность фермента падала быст­рее, чем скорость его синтеза de novo [980]. Предполагается, что уменьшение концентрации кислорода способствует фосфорилированию молекулы ксантиноксидоре­дуктазы, в результате чего её ферментативная активность возрастает [167].

Структурно ксантиноксидоредуктаза представляет собой гомодимер; каждая субъе­диница имеет молекулярную массу около 150 кДа и содержит 3 домена, связанных со специфическими кофакторами (рис. 16). N-концевой домен (аминокислоты 1-165) со­стоит из двух субдоменов, в каждый из которых входит по 1 железосерному центру, ко­ординационно связанному с 4 остатками цистеина; промежуточный домен (аминокисло­ты 226-531) содержит глубокий связывающий карман для ФАД, располагающий флави- новое кольцо в тесной близости к Fe2-S2-HeHTpy; С-концевой домен (аминокислоты 590- 1332) связан с молибденовым кофактором [167].

Ограниченный протеолиз ксантинокси-

доредуктазы трипсином приводит к образованию трёх фрагментов массой 20, 40 и 85 кДа. Железосерные центры находятся в низкомолекулярном фрагменте 20 кДа, ФАД - во фрагменте 40 кДа, атом молибдена - в высокомолекулярном фрагменте 85 кДа [114]; все три фрагмента находятся в тесной взаимосвязи и распадаются только в условиях де­натурации [250]. Молибденовый кофактор представляет собой органическое производ­ное птерина (молибдоптерин), содержащее 1 атом молибдена, пентакоординированный двумя дитиоленовыми атомами серы, ещё одним атомом серы и двумя атомами кисло­рода [461] (рис. 17).

Рис. 17. Структура молибденового кофак­тора ксантиноксидазы [461]

Ксантин и гипоксантин окисляются на молибденовом фрагменте, где Мо(У1) восста­навливается до Мо(1У); затем электроны через железосерные центры фермента перено­сятся на ФАД, а с ФАД-содержащего участка - на НАД+ или молекулярный кислород (рис. 16) [461].

В ранних работах обсуждался вопрос об идентичности ксантиноксидазы и НАДФН- оксидазы фагоцитов [87], в настоящее время строго установлено, что это разные фер­менты.

У разных видов животных содержание ксантиноксидоредуктазы значительно варьи­рует: так, в тканях человека и кролика её гораздо меньше, чем в тканях крыс и собак [677, 920]. Исследование содержания фермента в разных клетках и тканях показало, что у животных (крысы) в наибольших концентрациях он обнаруживается в гепатоцитах, эпителиальных и эндотелиальных клетках [576]. Данные о содержании ксантиноксидо­редуктазы в тканях и органах человека противоречивы, однако в основном сводятся к

тому, что в наибольших количествах фермент представлен в клетках печени и тонкого кишечника [709, 795], в то время как в мозге, сердце, лёгких, скелетных мышцах, почках его уровень крайне низок [461, 878], что противоречит предполагаемой роли ксантинок- сидазы в постишемическом (реперфузионном) повреждении этих органов и тканей (см. Главу 3). Такое расхождение можно объяснить существованием в микрососудах некото­рых тканей отдельных субпопуляций эндотелиоцитов, экспрессирующих очень высокий уровень активности фермента [795]; при гомогенизации больших фрагментов органов ксантиноксидоредуктаза этих количественно малых субпопуляций «отвечает» за общее содержание фермента. Кроме того, недавно обнаружено, что ксантиноксидоредуктаза локализована не только в цитоплазме, но и на внешней поверхности плазмалеммы эндо­телиоцитов [1020], а также что при ишемии/реперфузии фермент может выделяться из печени и кишечника в системную циркуляцию [970] и связываться с расположенными на поверхности эндотелиальных клеток гликозаминогликанами [795].

Небольшие количества ксантиноксидоредуктазы обнаруживаются во внеклеточных жидкостях - так, в сыворотке крови человека её активность составляет от 0 до 50 нмоль мочевой кислоты / мин / л [1091], при этом практически вся она находится в оксидазной форме в результате воздействия сывороточных протеаз [461]. Уровень внеклеточного фермента существенно повышается при некоторых патологиях, особенно при заболева­ниях, связанных с повреждением печени - хронический гепатит, цирроз, обтуративная желтуха; при вирусном гепатите, особенно в острой стадии, показано 1000-кратное уве­личение концентрации фермента в сыворотке крови [182, 461].

В оксидазной форме фермент в качестве акцептора электронов использует молеку­лярный кислород, в результате чего наблюдается образование О ~2 и Н202; при этом чем выше р02, тем больше образуется О 2 и меньше - Н202 [672] (в нормальных условиях около 70 % 02 переходит в Н202 [587]). В то же время нельзя забывать, что в ксантинде- гидрогеназной форме фермент также может восстанавливать кислород, хотя и менее эффективно, чем в оксидазной: в отсутствие НАД+ и в присутствии ксантина его V^ и Ктах для 02 составляют соответственно 25 и 600 % от значений, характерных для ксан- тиноксидазы [167, 862]. Более того, оба изоэнзима (оксидаза - в меньшей степени) про­являют НАДН-оксидазную активность: электроны с НАДН переносятся на ФАД (рис. 18), в результате последующего восстановления кислорода возникают О 2 и Н202 [461], при этом НАДН-оксидазная активность дегидрогеназ ной изоформы может достигать 40 % от собственно ксантиндегидрогеназной [458]. В ксантиноксидазной реакции выяв­лено также образование радикала ОН*, который, как считают авторы, возникает в ре­зультате дальнейшего восстановления Н202 [587].

Активация ксантиноксидазы в эндотелиоцитах приводит к ингибированию N0- радикалов, что усиливает адгезию циркулирующих фагоцитов и агрегацию тромбоци­тов; так как N0* регулирует тонус сосудов, то гиперпродукция супероксид-аниона мо­жет привести к возникновению системной гипертензии [721] - действительно, показано, что внутривенное введение ингибиторов ксантиноксидазы (аллопуринола, аллоксантина, деривата пиризалопиримидина) приводило к снижению кровяного давления у спонтанно гипертензивных крыс [697]. В то же время недавно обнаружен парадоксальный факт: оказалось, что при низком парциальном давлении кислорода ксантиноксидоредуктаза может служить источником N0*, синтезируя его из нитратов и нитритов (как органиче­ских, так и неорганических) и используя в качестве источника электронов ксантин или НАДН (рис. 18) [690, 1104], поэтому некоторые исследователи считают фермент важ­ным источником вазодилататора N0* в ишемизированной ткани. При этом необходимо

учитывать, что в результате взаимодействия двух продуктов ферментативной активно­сти ксантиноксидоредуктазы, супероксид-аниона и оксида азота, образуется высокоре­акционный пероксинитрит, в чём вновь проявляется двойственность функций фермента.

Считается, что генерация АКМ ксантиноксидазой необходима для метаболизма же­леза [509, 576], регуляции тонуса сосудов [610, 857], клеточной пролиферации [576]. Особое значение придаётся роли фермента в обеспечении врождённого иммунитета. В пользу барьерной, антимикробной роли ксантиноксидоредуктазы свидетельствует, в частности, её локализация - фермент преимущественно экспрессируется в эпителиаль­ных клетках, особенно в базальном и апикальном слоях кишечника, на люминалыюё поверхности эпителиоцитов желчных протоков, в гепатоцитах [460]; в эпителиальных слоях желудочно-кишечного тракта крыс гистохимически выявляются частично разру­шенные бактерии, окружённые молекулами ксантиноксидазы [1014].

Для новорожденных дополнительным источником фермента, обеспечивающего ан­тимикробную защиту, служит молоко матери [2, 947]. Ксантиноксидоредуктаза пред­ставляет собой главный белковый компонент мембран, которые окружают капельки жи­ра свежевыработанного молока [662]; будучи производным соответствующих апикаль­ных мембран секреторных желез, они несут те же антигены, что и эпителиоциты. Поскольку для патогенных кишечных бактерий характерно сродство с антигенами мем­бран эпителиальных клеток желудочно-кишечного тракта, они столь же эффективно свя­зываются и с аналогичными антигенами мембран жировых глобул молока, тем самым вступая в тесный контакт с ксантиноксидоредуктазой [460]; усилению контакта способ­ствует высокая аффинность фермента к кислым полисахаридам, присутствующим в кле­точных стенках многих бактерий [92]. Интересно, что активность ксантиноксидазы грудного молока у женщин резко возрастает в период лактации, достигая максимума (50-кратное увеличение) в первые 15 дней после родов и затем снижаясь до базального уровня к концу первого месяца. При этом содержание белка фермента изменяется незна­чительно, что свидетельствует о его посттрансляционной регуляции [201], которая, в частности, может осуществляться путём внедрения молибденового кофактора. Так, в ксантиноксидоредуктазе молока нелактирующих женщин менее 5 % сайтов связывания молибдоптерина заняты кофактором [403]; для коз и овец в периоды, не связанные с лактацией первых послеродовых недель, также характерна взаимосвязь низкой активно­

сти фермента молока с «запустением» молибденовых сайтов - занятость соответственно 9 и 18 % от теоретически возможной [460]. В пользу роли фермента в обеспечении вро­ждённого иммунитета свидетельствуют эксперименты, выполненные на нокаутирован­ных по гену ксантиноксидоредуктазы мышах. Гомозиготные (-/-) животные погибали в первые 6 недель после рождения; гетерозиготы (+/-) выживали, имели нормальную фер­тильность и производили на свет полноценных мышат, которые, однако, погибали от голода вследствие нарушений лактации родительниц [1031].

По-видимому, ксантиноксидаза участвует в защите организма при вирусных инфек­циях. Так, у мышей, инфицированных вирусом гриппа, наблюдалось значительное (в сотни раз) усиление активности ксантиноксидазы в лёгких [46]. Продукция 02 и Н2О2 может оказаться столь мощной, что способна вызывать патологию, в результате чего животные погибают от пневмонии через 12 дней после инфицирования, при этом титры вируса в лёгких не определяются уже на 10 день. Введение аденозина (предшественник ксантина) снижало, а аллопуринол и СОД повышали выживаемость животных. Анало­гичные результаты получены при инфицировании мышей цитомегаловирусом. Одним из индукторов образования 02 при вирусных инфекциях выступает а-интерферон, кото­рый стимулирует транскрипцию ксантиндегидрогеназы, в последующем переходящей в оксидазную форму. В то же время необходимо помнить, что ксантиноксидоредуктаза - единственный метаболический источник мочевой кислоты, важного антиоксиданта вне­клеточных жидкостей (см. Главу 3), и повышение её активности при патологических состояниях может играть двойственную роль. Так, более чем 20-кратное увеличение содержания фермента в мозге больных бактериальным менингитом позволило авторам работы [247] предположить, что присутствие и индуцибельность эндотелиальной ксан­тиноксидоредуктазы защищает эндотелий сосудов от окислительного повреждения при воспалении.

Показано, что 02, образующийся в ксантиноксидазной реакции, ингибирует Са2+- АТФазу саркоплазматического ретикулума гладкомышечных клеток сосудов, угнетая тем самым транспорт Са2+, что является одной из причин повреждения сосудов в раз­личных патологических ситуациях [430, 963]. Кроме того, 02 служит предшественни­ком других форм АКМ, в частности Н202 и ОН*, которые обладают более выраженным цитотоксическим действием. Поэтому оправдан интерес исследователей к разработке специфических ингибиторов ксантиноксидазы; в качестве таких ингибиторов широко применяются аллопуринол или его долгоживущий метаболит оксипуринол [934], а так­же альдегид птерина и фолиевая кислота [624].

<< | >>
Источник: Меныцикова Е. Б. и др.. Окислительный стресс. Прооксиданты и антиоксиданты / Е.Б. Меныцикова, В.З. Ланкин, Н.К. Зенков, И.А. Бондарь, Н.Ф. Круговых, В.А. Труфакин. - М.: Фирма «Слово»,2006. - 556 с.. 2006

Еще по теме Ксантиноксидоредуктаза:

  1. Юрий Андреевич Андреев. Три кита здоровья СПб.:,1994. — 382 с., 1994
  2. Предисловие к 14-му официальному изданию (неофициальных, воровских было без счету)
  3. Предисловие к 11-му изданию
  4. Предисловие к 7-му изданию
  5. Глава первая ДОРОГА НА ОКЕАН
  6. Солнечный поддень жизни, или Сохранить бы последние крохи
  7. Глава вторая ДУХ ВЫСОКИЙ, ДЕЯТЕЛЬНЫЙ, ДОБРЫЙ
  8. Стрессы лужу-паяю, чиню-починяю!
  9. Глава третья ЖИВАЯ ЭНЕРГИЯ ЗЕМЛИ И НЕБА
  10. Секрет всех законов, или Жизнь в резонанс с законами мироздания
  11. Все стихии
  12. Глава четвертая КОНЦЕПЦИЯ ЧИСТОГО ОРГАНИЗМА
  13. Что такое "живье"?
  14. Вода - живая и мертвая
  15. Царь-голод
  16. Заключение К НОВЫМ ГОРИЗОНТАМ
  17. С чего начать? Что делать дальше?