Материал: Кленова Н.А. Биохимия патологических состояний

лизосомальных ферментов и активации каспаз и гибели клеток. В некоторых случаях это приводит к феноптозу – запрограммированной смерти организма. Как оказалось, во многих случаях гибель клеток обусловлена не только внешними, но и внутренними причинами. Некоторые штаммы E.coli образуют неактивную форму специфической протеазы. Если бактериальная клетка заражается определенным вирусом, один из небольших вирусных полипептидов связывается с протеазой и активирует ее. Активированная протеаза расщепляет фактор элонгации EF-TU и, прекращая синтез белка, убивает клетку, что ограничивает размножение бактериофага и спасает популяцию от инфекции.

Многие тяжелые заболевания сопровождаются массовой продукцией ФНО и других цитокинов, индуцирующих апоптоз. Например, септический шок – смерть организма, хорошо спланированная самим организмом. Нарастание медиаторов воспаления, гиперпроизводство АКМ нейтрофилами и макрофагами, активация ПОЛ и ксантиноксидазы ведет к активации каспаз, определенной группы протеолитических ферментов, стимулирующих апоптоз. Высокий уровень гибели функционально важных клеток организма может привести к феноптозу – смерти организма. Подобная программа гибели всего организма, вероятно, сформирована в ходе эволюционного процесса и оправдана остановкой распространения опасной инфекции в популяции [25].

Опасность ускорения апоптозной гибели клеток резко возрастает в условиях перехода от состояния гипоксии (недостатка снабжения клеток кислородом) к реоксигенации (восстановлению высокого содержания кислорода в тканях). Это происходит в результате некоторого накопления в условиях недостатка кислорода восстановленных форм железа (Fe2+). При реоксигенации возрастает вероятность реакции Фентона:

Н2О2 + Fe2+ → ОН• + ОН- + Fe3+.

Кроме того, в условиях увеличения парциального давления кислорода в тканях индуктивно сопровождается повышением продукции ксантиноксидазы и, соответственно, АКМ. При ишемии миокарда реокисигенации наиболее опасна, так как может стать причиной стимуляции апоптозной гибели большого числа клеток, окружающих зону некроза и сделать нормальную работу миокарда невозможной. Затормозить апоптоз, вызванный реоксигенаций, можно с помощью антиоксидантов и ингибиторов каспаз

(рис.3.1).

Аноксия

171

Взрыв АКМ при реоксигенации

Антиоксиданты, ингибиторы каспаз

Апоптоз клеток – суперпродуцентов АКМ и соседних клеток Дисфункция жизненно важных органов

Смерть организма

Рис.3.1. Пути развития апоптоза и феноптоза в условиях перехода от аноксии к реоксигенации [25]. Пунктирными стрелками показаны возможные блокирующие воздействия

Гибель организма от инфаркта и инсульта во многом определяется уровнем апоптозной гибели клеток жизненно важных органов, однако стойкое снижение запрограммированной гибели клеток означает повышение риска развития злокачественных новообразований.

В.П. Скулачев (1999)[25], выдвигающий гипотезу запрограммированной смерти организма (феноптоза) как результата чрезмерной апоптозной гибели функционально важных клеток, предлагает стратегию блокирования основных путей развития апоптоза с целью предотвращения феноптозной гибели. Основные возможности блокирования на настоящий момент показаны на рис.3.1 стрелками с пунктирной линией. Согласно В.П. Скулачеву, защита от окислительного стресса может осуществляться как результат «мягкого» разобщения дыхания и фосфорилирования, сопряженного с возрастанием скорости потребления кислорода и снижением уровня восстановления компонентов дыхательной цепи. Это приводит к снижению концентрации кислорода и скорости продукции АКМ в клетках. Механизм мягкого разобщения может быть основан на обратном открытии неселективных пор во внутренней мембране митохондрий. Экспериментально показано, что низкие концентрации прооксидантов, в частности АМК, могут индуцировать открытие этих пор в митохондриях, активировать дыхание и собственное производство [10].

Молекулярные механизмы развития апоптозной гибели клеток. Осно-

вополагающая работа в этой области принадлежит Керру (1972), который выдвинул гипотезу о существовании двух видов клеточной смерти: апоптоза и некроза. Апоптоз представляет собой многоэтапный процесс, начинающийся внутри клеток после принятия сигнала, гибель клетки осуществляется по определенной программе. Морфологически наблюдается перераспределение фосфолипидов в цитоплазматической мембране, переме-

172

щение фосфатидилсерина из внутреннего монослоя ЦПМ в наружный, сморщивание клетки, конденсация ядра, разрывы ДНК, фрагментация клетки в мембранных везикулах. При этом в везикулах сохраняется целостность мембран, формируются апоптозные тельца – фрагменты клеток, окруженные мембраной [19,21].

Этапы реализации программы апоптоза. Начальный момент – прием сигнала к апоптозу. Сигнал может приходить как извне, так и возникать в самой клетке. Существование программы клеточной смерти даже в безъядерных клетках (эритроциты, бактерии) показывает, что наличие ядра не является обязательным для реализации процесса апоптоза. Существует несколько путей индуцирования апоптоза: путь, опосредованный физиологическими индукторами, действие которых идет через клеточные рецепторы, специально предназначенные для включения программы клеточной гибели; а также путь, связанный с изменением соотношения регуляторных молекул внутри клеток, мутацией генов, ответственных за регуляторные белки, участвующие в реализации жизнедеятельности клетки.

Вклетках животных и человека апоптоз связан с активацией каспаз, представляющих собой семейство консервативных цистеиновых протеаз, специфично расщепляющих белки после остатков аспарагиновой кислоты. Индукторы апоптоза – факторы некроза опухолей – действуя на рецепторы обычно через ГТФ-зависимые белки, приводят к активации тирозинкиназной активности и фосфорилированию каспаз «первого эшелона». Активированные каспазы «первого эшелона» с помощью ограниченного протеолиза приводят в активное состояние «каспазы второго эшелона» [1,21]. На этапе активации каспаз «первого эшелона» жизнь клетки еще можно спасти, так как существуют регуляторы, которые блокируют их действие.

Кним относятся внутриклеточные регуляторные белки семейства Bcl-2: A1, Bcl-N, Bcl-Xu, Brag-1, Mcl-1, NRB. Однако есть регуляторные белки – промоторы апоптоза, усиливающие действие каспаз. Это белки семейства

Bax: Bad, Bak, Bcl-5, Bik, Bim, Hrk, Bax, Mtd. Соотношение этих регуля-

торных белков и будет определять судьбу данной клетки.

На следующем этапе под действием каспаз «второго эшелона» реализуются следующие события: расщепление белков, блокирующих реализацию программы апоптоза – семейства Bcl-2. Далее – протеолиз ингибитора ДНК-зы, фермента, осуществляющего фрагментацию ДНК. И, наконец, расщепление поли-(АДФ-рибозо)-полимеразы, участвующей в процессах репарации повреждений ДНК. Данный фермент катализирует АДФ-

рибозилирование белков, связанных с ДНК. Донором АДФ-рибозы служит НАД+[21].

Впоследние годы возрос интерес к биологическим функциям сфингозина, метаболита сфинголипидов в реализации программы апоптозной гибели клеток [1]. Установлено, что он является эндогенным ингибитором протеинкиназы С и оказывает таким образом ингибирующий эффект на

173

многие клеточные процессы, зависящие от активации протеинкиназ данного типа, включая процессы пролиферации, дифференцировки и программируемой гибели клеток. Показано, что сфингозин влияет на рост и дифференцировку клеток, агрегацию тромбоцитов, стимуляцию митогенеза, обладает противоопухолевой и бактерицидной активностью. Выяснение механизмов подобной активности сфингозина привело к обнаружению у него способности индуцировать апоптоз. В организмах сфингозин образуется при активации фермента сфингомиелиназы, отщепляющей от сфингомиелина церамид. Далее фермент церамидаза расщепляет церамид с выделением сфингозина.

Взаимодействие сигнальных молекул с рецепторами индуцирует резкую активацию липолитических ферментов (фосфолипазы А2, С, D и сфингомиелиназы), что приводит к накоплению продуктов гидролиза фосфолипидов: арахидоновой кислоты, диацилглицерола, церамида. Однако только продукты сфингомиелинового цикла (церамид и сфингозин) обладают ярко выраженным проапоптозным действием при непосредственном контакте с клеткой. Продукты сфингомиелинового цикла служат токсическим звеном в проведении сигнального апоптоза (рис.3.2)[1].

Таким образом, сфингозин регулирует активность протеинкиназ С , в ядре оказывает влияние на деградацию ДНК путем непосредственного взаимодействия с ней, а также через ингибирование экспрессии Bcl-2.

В нормальном организме программируемая смерть клеток – механизм поддержания гомеостаза и нормального функционирования организма, освобождение от ненужных клеток, выполнивших свою функцию, трансформированных или поврежденных клеток. Чрезвычайно часто апоптоз встречается у растений, этот механизм клеточной гибели лежит в основе реализации многих процессов жизнедеятельности растений [21].

174

Блокирование

Ингибирование экспрессии Bcl-2

АПОПТОЗ

Рис. 3.2. Схема участия сфингозина в апоптозе [1]. Пунктирными линиями показаны процессы, которые блокируются сфингозином

Ксилемогенез и флоэмогенез. Клетки, которым предстоит стать трахеидами ксилемы, претерпевают дробление протоплазмы на везикулы, характерные для апоптоза животных. Те же процессы наблюдаются при развитии ситовидных трубок. Формообразование листьев. Очертания листьев формируются, по-видимому, через реализацию механизма апоптозной гибели. Места перфораций определяются зонами смерти клеток на ранних стадиях развития. Аэрохимогенез – адаптивная реакция растений на дефицит кислорода, заключающаяся в образовании полостей, заполненных воздухом за счет элиминации некоторых клеток с полным разрушением клеточных стенок с участием активирующихся гидролитических ферментов. Клетки корневого чехлика также гибнут по механизму программируемой смерти даже в условиях выращивания растений гидропонным способом.

Опадание листьев и созревших плодов. Эти процессы сопровождаются из-

бирательной гибелью клеток отделительной зоны, расположенной между основанием черешка листа или плода и стеблем, которая активируется благодаря экспрессии так называемых Sag-генов. Клетки в отделительной зоне

175