XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Активные формы кислорода (АФК) стали следствием формирования и накопления свободного кислорода в ходе эволюции биологических систем. В цепочке формирования АФК первым является супероксид-анион, образующийся при одноэлектронном восстановлении молекулярного кислорода, в дальнейшем способный спонтанно переходить в пероксид водорода и далее в присутствии металлов переменной валентности ведущий к появлению гидроксил-радикала. В связи с наличием неспаренного электрона на внешнем электронном уровне, названные эндогенные АФК демонстрируют исключительно высокую реакционную способность, повреждая мембранные структуры, белки и ДНК бактериальных клеток [1].

Тем не менее, активные формы кислорода имеют неоднозначное воздействуют на клетки. С одной стороны низкий уровень клеточного АФК выполняет положительные функции: обеспечивает клеточное дыхание, деление, развитие адаптивных реакций. С другой стороны высокий уровень клеточного АФК ведет к образованию окислительного стресса и выполняет негативные функции: гибель клетки путем апоптоза или некроза, перекислое окисление липидов, повреждение клеточных мембран, разрыв нитей ДНК, окисление белков.

Однако некоторые клетки организма значительно развили системы, базирующиеся на генерации АФК для защиты от внешних патогенов и чужеродных структур. Классическим примером таковых являются фагоцитирующие клетки крови человека – моноциты и нейтрофилы - это важнейшие эффекторы иммунитета, антибактериальный потенциал которых в значительной степени определяется способностью к генерации широкого спектра активных форм кислорода [2].

Инициальные этапы данного процесса связаны с деятельностью NADPH-зависимой оксидазы. NADPH-оксидазный комплекс является многокомпонентным и индуцибельным, его основой служит цитохром b, представляющий собой гетеродимерную структуру мембраны нейтрафила. Для полноценного функционирование комплекса необходимо участие двух протеинов p47^phox и p67^phox, а также ГТФ/ГДФ-связывающие G-протеины Rac1 и Rac2, регулирующие ферментативную активность комплекса. Основной задачей NADPH-оксидазный комплекс является перенос электронов на молекулярный кислород и превращающей его в супероксид анион. Дальнейший метаболизм супероксид аниона ведет к появлению пероксида водорода, а через него с участием фермента миелопероксидазы к образованию гипогалоидов HOCl и HOBr. Наконец конечным и наиболее сильным окислителем является гидроксил-радикал, образующийся из пероксида водорода в присутствии металлов переменной валентности или опосредованной супероксидом реакции восстановления гипохлорита [3].

Помимо неспецифической защиты, нейтрофилы участвуют в модулировании иммунологической, специфической защиты организма. Исследования биологических свойств нейтрофилов показали их роль в формировании микроокружения и межклеточного взаимодействия для локализации инфекции и воспаления; участие в активации и созревании макрофагов и дендритных клеток.

С другой стороны, бактериальная популяция, испытывающая постоянное воздействие АФК, привела к формированию защитных механизмов, позволяющих нейтрализовать свободные радикалы. Эволюционно выраженная токсичность АФК вызвала существенное сокращение биоразнообразия первичной анаэробной микробиоты, а у выживших бактериальных видов привела к формированию эшелонированной системы защиты от окислительного стресса, специфически индуцируемой при соответствующих воздействиях.

Обезвреживание супероксид-аниона осуществляется специализированными металлоферментами - супероксиддисмутазами, экспрессия которых происходит в составе целостного sox-регулона под контролем soxRSгенов, из которых первый кодирует воспринимающий О₂^•- рецепторный белок и индуцирует SoxS, в свою очередь запускающий транскрипцию целевых генов [4]. Активация генов регулона soxRS увеличивает устойчивость клетки не только к супероксид генерирующим агентам, но и к органическим растворителям, а также оксиду азота (II). Помимо этого, soxRS отвечает за увеличение концентрации глюкозо-6-фосфат дегидрогеназы (Zwf), что усиливает восстановительную силу клетки, и увеличение количества репрессора метаболизма железа, что приводит к снижению поглощения железа и, следовательно, уменьшает выработку гидроксила. Также под контролем SoxRS системы находится индукция экспрессии генов, отвечающих на супероксидный стресс. К их числу относятся гены sodA (Mn-SOD), marAB (оперон множественной антибиотикоустойчивости), tolC (белок внешней мембраны), acnA (кодирует аконитазу), fumC (фумараза С), acrAB (эффлюкс-помпа), fur (железосвязывающий регуляторный белок) и другие.

За разложение перекиси водорода отвечает бактериальная каталаза, кодируемая геном katG и индуцируемая другим транскрипционным регулятором - OxyR [5]. Также к числу OxyR-регулируемых генов, отвечающих на повышение концентрации Н₂О₂, ahpFC (кодирует НАДН-зависимую алкилгидропероксидредуктазу), grxA (кодирует глутаредоксин А), gor (кодирует глутатионредуктазу), dps (кодирует ДНК-защищающий белок), oxyS (кодирует регуляторную РНК).

Наконец, в отсутствие специфической системы защиты от гидроксил-радикала, репарация нанесенных им окислительных повреждений ДНК происходит с участием SOS-системы [3]. При этом ключевой белок RecA, связываясь с поврежденными участками ДНК, способствует автопротеолитическому расщеплению димеров белка LexA, снимая обуславливаемую им репрессию до 40 задействованных в процессе репарации генов, в том числе и самого гена recA [5].

Таким образом, системы генерации АФК и защитные механизмы против них развиваются в биологических объектах параллельно, и благодаря высокой приспособительной способности бактерий, некоторые виды научились блокировать развитие респираторного взрыва фагоцитов и избегать подобного летального действия. Тем не менее, активные формы кислорода представляют собой значимый механизм в защите организма от инфекционных агентов, определяя кислородзависимые бактерицидные факторы защиты у моноцитов и нейтрофилов.

Литература:

1 Cabiscol, E. Oxidative stress in bacteria and protein damage by reactive oxygen species / Е. Cabiscol, J. Tamarit, J. Ros // Internal. Microbiol. – 2000. – Vol. 3 – pp. 3–8.

2 Nathan, C. Reactive oxygen and nitrogen intermediates in the relationship between mammalian hosts and microbial pathogens / С. Nathan, M.U. Shiloh // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. – 2000. – Vol. 97. – pp. 8841–8848.

3 Candeias, L.P. Free hydroxyl radicals are formed on reaction between neutrophil-derived species superoxide anion and hypochlorous acid / L.P Candeias, K.B. Patel, M.R. Stratford // FEBS Lett. – 1993. – Vol. 333. – pp. 151–153.

4 Halliwell, B. Free radicals in biology and medicine / B. Halliwell, J.M. Gutteridge // Oxford Univ. Press, New York. – 1999. – pp. 888–896.

5 Pomposiello, P.J. Genome-wide transcriptional profiling of the Escherichia coli responses to superoxide stress and sodium salicylate / P.J. Pomposiello, M.H. Bennik, В. Demple // J. Bacteriol. – 2001. – Vol. 183. – pp. 3890–3902.