Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ КОМПОНЕНТОВ БЕЛКОВ ТЕПЛОВОГО ШОКА ГЛУТАТИОНРЕДУКТАЗЫ И ГЛУТАТИОНОВОЙ РЕДОКС-СИСТЕМЫ ПРИ ПЕРЕГРЕВАНИИ И ОХЛАЖДЕНИИ

Тапбергенов С.О. 1 Бекбосынова Р.Б. 1 Советов Б.С. 1 Болысбекова С.М. 1
1 Государственный медицинский университет
В работе в сравнительном плане изучено состояние глутатиновой редокс-системы и глутатионредуктазы при перегревании и при охлаждении крыс, как экспериментальной модели стресса, при которой возможна индукция синтеза стрессорных белков – шаперонов. Перегревание вызывали путем содержания животных при температуре +40°С на протяжении 3-х часов. Охлаждение животных осуществляли путем содержания животных при температуре +5°С на протяжения 3-х часов. Проведенными исследованиями обнаружено, что при перегревании и при охлаждении организма животных имеет место практически однотипное изменение функционального состояния одного из компонентов системы стресс-белков – глутатионредуктазы. При перегревании и охлаждении в крови, в печени и в мозге активность глутатион редуктазы снижается. В крови при перегревании баланс в глутатионовой редокс – системе смещается в сторону восстановленных форм, при охлаждении в сторону окисленных форм. В печени при перегревании баланс в глутатионовой редокс – системе смещается в сторону окисленных форм, при охлаждении в сторону восстановленных форм. В головном мозге и при перегревании, и при охлаждении организма, баланс в глутатионовой редокс – системе смещается в сторону восстановленных форм. Анализ полученных результатов подтверждает представление о том, что стрессорная реакция организма сопровождается изменениями функционального состояния компонентов белков теплового шока и связанных с их функцией глутатиновой редокс-системы, необходимой не только для антиоксидантной защиты, но и для фолдинга белковых молекул.
шапероны
глутатионредуктаза
глутатионовая редокс-система
перегревание
охлаждение
1. Власова С.Н., Шабунина Е.И., Переслегина И.А. Активность глутатионзависимых ферментов эритроцитов при хронических заболеваниях печени у детей // Лабораторное дело. – 1990. – № 8. – С.19-22.
2. Панасенко О.О., Ким М.В., Гусев Н.В. Структура и свойства малых белков теплового шока // Успехи биологической химии. – 2003. – т.43. – С.59-98.
3. Тапбергенов С.О., Тапбергенов Т.С. Гипотеза посттрансляционной трансформации нормальных клеточных прионов РrРC в аномальные РrРSс прионы // Успехи современного естествознания. 2009. – №4.– С. 61.
4. Травина С.В. Руководство по биохимическим исследованиям. – М.: Медгиз., 1955.– С.253-255.
5. Csermely P., Schnaider T., Soti C., Prohaszka Z., Nardai G. The 90-kDa molecular chaperone family: structure, function, and clinical applications. A comprehensive review // Pharmacol Ther. 1998. – Aug;79.– №2 – P.129-168.
6. Ellis R.J., Hemmingsen S.M. – Molecular chaperones: proteins essential for the biogenesis of some macromolecular structures // Trends Biochem Sci. 1989. – Aug; 14(8) – Р.339-342.
7. Mehlen P., Kretz–Remy C., Preville X., Arrigo A.P. – Human hsp27, Drosophila hsp27 and human alphaB-crystallin expression-mediated increase in glutathione is essential for the protective activity of these proteins against TNFalpha-induced cell death // EMBO J. 1996.– Jun 3;15– №11 – P.2695-2706.
8. Netzer, W.J., Hartl, F.U. – Protein folding in the cytosol: chaperonin-dependent and -independent mechanisms // Trends Biochem Sci. 1998. – Feb;23. – №2. – P.68-73.
9. Preville X., Salvemini F., Giraud S., Chaufour S., Paul C., Stepien G., Ursini M.V., Arrigo A.P.– Mammalian small stress proteins protect against oxidative stress through their ability to increase glucose-6-phosphate dehydrogenase activity and by maintaining optimal cellular detoxifying machinery // Exp Cell Res. 1999 – Feb 25; – 247– №1. – P.61-78.
10. Waters E.R., Vierling E. Chloroplast small heat shock proteins: evidence for atypical evolution of an organelle-localized protein // Proc Natl Acad Sci U S A. 1999 – Dec 7;96– №25. – P.14394-14399.

В 1974 году Тиссиерес и соавт. [2] впервые обнаружили, что в ответ на повышение температуры среды происходит активация синтеза специфической группы белков. Эта группа белков получила название белки теплового шока – шапероны (heat shock proteins, Hsp). Позже было установлено, что синтез этих белков индуцируется не только при повышении температуры, но и при многих других неблагоприятных стрессорных на организм воздействиях, а также под влиянием некоторых гормонов и ростовых факторов. В связи с этим белки теплового шока стали называть стресс-белками [6]. Было установлено, что в ответ на тепловой шок в клетках эукариот включается активация транскрипции всех генов, индуцируемых стрессом, осуществляемая специальным транскрипционным фактором (фактор теплового шока HSF). В клетках, не подвергшихся стрессу, HSF присутствует и в цитоплазме и в ядре в виде мономерной формы, связанной с шапероном Hsp70, и не имеет ДНК-связывающей активности.

В ответ на тепловой шок или другой стресс, Hsp70 отсоединяется от HSF и начинает укладывать денатурированные белки. HSF собирается в тримеры, у него появляется ДНК связывающая активность, он аккумулируется в ядре и связывается с промотором. При этом транскрипция шаперонов в клетке возрастает во много раз. После того, как стресс прошел, освободившийся Hsp70 опять присоединяется к HSF, который при этом теряет ДНК-связывающую активность и все возвращается в нормальное состояние. Аналогичным образом все происходит и при других стрессах. Согласно современной классификации, в основу которой положены различия в молекулярных массах, выделяют пять основных классов шаперонов (Hsp): Hsp100, 90, 70, 60 и малые Hsp (small Hsp, sHsp). Каждый из этих классов белков теплового шока выполняет характерные функции. Белки семейства Hsp60 могут участвовать в фолдинге сложно устроенных много доменных белков (таких как актин или тубулин), а также в АТР-зависимом исправлении ошибок в структуре частично денатурированных белков [8]. Hsp90 образуют сложный комплекс с шаперонами. Такой комплекс взаимодействует с рецепторами стероидных гормонов, обеспечивает эффективное связывание гормона с рецепторами и последующий перенос гормон-рецепторного комплекса в ядро. Помимо этого, белки класса Hsp90 участвуют в направленном переносе нескольких типов протеинкиназ к участкам их функционирования [5].

К последней группе белков теплового шока относятся Hsp с малыми молекулярными массами (sHsp – small heat shock proteins) – малые белки теплового шока, выполняющие множество разных функций в клетке. По данным ряда авторов окислительный стресс сопровождается усиленным синтезом sHsp [9]. В настоящее время большая часть исследователей склоняется к заключению, что sHsp защищают клетку от окислительного шока, хотя в литературе высказывается и противоположная точка зрения. Установлено, что N-концевой домен sHsp состоит аминокислотных остатков богатый метионином. Для всех sHsp хлоропластов этот участок очень консервативен и, по всей видимости, участвует в распознавании субстратов [10]. Предполагают, что sHsp каким-то образом активируют или стабилизируют глюкозо-6-фосфат дегидрогеназу – фермент, продуктом которого является NADPH [7]. NADPH используется глутатионредуктазой для поддержания нормального уровня восстановленной формы глутатиона, используемого глутатионпероксидазой для разрушения гидроперекисей. Все эти данные указывают на то, что функциональные эффекты шаперонов связаны с тиоловыми системами, через которые обеспечивается их антиоксидантное и другое действие.

Ранее нами была высказана гипотеза посттрансляционной трансформации нормальных клеточных прионов РrРC в аномальные РrРSс прионы [3]. Причиной появления РrРSс является не копирование конформации с ранее поврежденного приона, а связано с нарушением функции шаперонов контролирующих фолдинг полипетидных цепей нормальных прионов и сохранение их нативной структуры. В частности, аномальные РrРSс за счет гидрофобного взаимодействия с гидрофобными радикалами активного центра тиоредоксинредуктазы и глутатионредуктазы, ингибируют эффекты этих ферментов, необходимых для восстановления тиоредоксина и глутатиона. Эти тиоловые соединения необходимы для как для антиоксидантной защиты, так и для правильной укладки полипептидной цепи белковых молекул, а их недостаток блокирует функцию шаперонов, контролирующих формирование вторичной и третичной структуры нормальных клеточных прионов.

С учетом вышеуказанных позиций, о функциональной связи белков теплового шока с активностью тиоловых систем, нами была поставлена задача, в сравнительном плане изучить состояние глутатиновой редокс-системы и глутатионпероксидазы при перегревании и при охлаждении организма животных, как экспериментальной модели стресса, при которой возможна индукция синтеза стрессорных белков – шаперонов.

Материалы и методы исследования

Исследования проведены на беспородных белых крысах в возрасте 3-3.5 месяца массой тела 160-200 г. Перегревание вызывали путем содержания животных в тепловой вентилируемой камере при температуре +40оС на протяжении 3-х часов. Охлаждение животных осуществляли путем содержания животных в холодовой камере при температуре +5оС на протяжения 3-х часов. О состоянии глутатионой редокс-системы судили по количеству общего, окисленного (GSSG) и восстановленного глутатиона (GSH) которые определяли по Вудворду и Фрею в модификации М.С. Чулковой, описанной С.В. Травиной [4]. Активность НАДФН2–зависимой глутатионредуктазы (ГР) определяли по методу С.Н.Власовой и соавтор [1]. Результаты исследования проанализированы при помощи t-критерия Стьюдента. Различия считали достоверными при p<0,05.

Результаты исследования и их обсуждение

В табл. 1, 2, 3 представлены данные об изменениях активности глутатион редуктазы и глутатионовой редокс-системы в крови, в печени и в головном мозге при перегревании и охлаждении. Во всех тканях и при перегревании, и при охлаждении обнаружено снижение активности глутатионредуктазы. Однако состояние глутатионовой редокс-системы при перегревании и при охлаждении имеет отличие. При перегревании в крови, в печени и в головном мозге уровень общего глутатиона, окисленного и восстановленного глутатиона снижается. При охлаждении в крови уровень общего, окисленного и восстановленного глутатиона повышается (табл. 1).

Таблица 1

Глутатионредуктаза и глутатионовая редокс-система в крови при перегревании и охлаждении (X±m)

Показатель

Контроль

n=12

Перегревание n=12

Охлаждение

n=12

Глутатионредуктаза (ГР)

мкмоль НАДФН2 \г Нв в мин

5.8±0.34

3.6±0.22*

3.8±0.26

Общий глутатион (мкмоль/л)

1654.17±51.75

732.40±21.68*

1914.89±46.39*

Окисленный глутатион (GSSG) (мкмоль/л)

106.62±5.06

24.88±1.40*

146.52±13.96*

Восстановленный глутатион (GSH) (мкмоль/л)

1547.55±46.69

707.52±20.28*

1768.37±32.43*

Соотношение GSH /GSSG

14.5±0.09

28.88±0.18*

12.07±0.12*

Примечание. * – р<0.05 в сравнении с контролем.

В печени и в мозге при охлаждении повышается уровень общего и восстановленного глутатиона, снижается уровень окисленного (табл. 2, 3). Что бы это всё значило? Для ответа на этот вопрос, основываясь на биологической функции тиолдисульфидной глутатионовой редокс – системе и её логической связи с ферментом глутатионредуктазой, мы в сравнительном плане решили рассчитывать соотношение уровней восстановленного (GSH) и окисленного глутатиона (GSSG). Величина этих соотношения (GSH /GSSG) представлена в таблицах 1,2,3.

В крови (табл. 1) при перегревании соотношение GSH /GSSG в сравнении с нормой увеличивается (с 14.5 до 28.88). Это значит, что в крови при перегревании преобладает процесс накопления восстановленной формы глутатиона, при соответствующем снижении уровня окисленного глутатиона и активности глутатионредуктазы.

При охлаждении в крови на фоне снижения активности глутатионпероксидазы и увеличения количества общего глутатиона, количества окисленного и восстановленного глутатиона, соотношение GSH /GSSG в сравнении с нормой снижается с 14.5 до 12.07 (табл. 1). Это говорит о том, что при охлаждении в крови животных преобладают процессы окисления глутатиона над его восстановлением в глутатионовой редокс-системе.

В печени (табл. 2) при перегревании на фоне сниженной активности глутатионпероксидазы и снижения всех форм глутатиона, снижается соотношение GSH/GSSG, что свидетельствует о преобладании процессов окисления над восстановлением. При охлаждении в печени на фоне сниженной активности глутатионпероксидазы и окисленной формы глутатиона, соотношение GSH /GSSG увеличивается. Это говорит о том, что в печени при охлаждении организма преобладает процесс восстановления глутатиона над его окислением.

Таблица 2

Глутатионредуктаза и глутатионовая редокс-система в печени при перегревании и охлаждении (X±m)

Показатель

Контроль

n=12

Перегревание n=12

Охлаждение n=12

Глутатионредуктаза (ГР)

мкмоль НАДФН2 \г Нв в мин

221.2±12.84

98.2±7.64*

186.2±9.88*

Общий глутатион (мкмоль/г)

8.99±0.25

6.32±0.28*

11.61±0.29*

Окисленный глутатион (GSSG) (мкмоль/г)

0.43±0.02

0.36±0.02*

0.37±0.02*

Восстановленный глутатион (GSH) (мкмоль/г)

8.56±0.23

5.96±0.26*

11.24±0.27*

Соотношение GSH /GSSG

19.90±0.10

16.55±0.05*

30.37±0.12*

Примечание. * – различия статистически значимы в сравнении с контролем р<0.05.

В головном мозге и при перегревании и при охлаждении организма активность глутатионпероксидазы снижается (табл. 3). Но при этом в мозге при перегревании снижается уровень всех форм глутатиона (общего, окисленного и восстановленного). При охлаждении незначительно снижается количество только окисленного глутатион и увеличивается количество и общего, и восстановленного глутатиона (табл. 3).

Таблица 3

Глутатионредуктаза и глутатионовая редокс–система в головном мозге при перегревании и охлаждении (X±m)

Показатель

Контроль

n=12

Перегревание n=12

Охлаждение n=12

Глутатионредуктаза (ГР)

мкмоль НАДФН2 \г Нв в мин

107.2±6.52

56.3±4.67*

58.8±5.50*

Общий глутатион (мкмоль/г)

5.20±0.10

3.42±0.11*

6.30±0.10*

Окисленный глутатион (GSSG)

(мкмоль/г)

0.38±0.02

0.23±0.02*

0.27±0.06*

Восстановленный глутатион (GSH) (мкмоль/г)

4.82±0.08

3.19±0.09*

6.03±0.08*

Соотношение GSH /GSSG

12.68±0.09

13.86±0.11*

22.33±0.21

Примечание. * различия статистически значимы в сравнении с контролем р<0.05.

Эти данные, а также увеличение соотношения GSH /GSSG и при охлаждении и при перегревании свидетельствует об усилении процессов восстановления глутатиона над его окислением в глутатионовой редокс-системе в головном мозге животных.

Заключение и выводы

Проведенными исследованиями обнаружено, что при перегревании и при охлаждении организма животных, как экспериментальной модели стресса, имеет место практически однотипное изменение функционального состояния одного из компонентов системы стресс-белков – глутатионредуктазы. Во всех тканях и при перегревании, и при охлаждении активность глутатионредуктазы снижается.

На фоне снижения активности глутатионредуктазы, изменения соотношения окисленной и восстановленной форм глутатиона (GSH /GSSG) глутатионовой редокс-системы специфично как относительно вида стресс фактора, так и относительно ткани:

В крови при перегревании баланс в глутатионовой редок-системе смещается в сторону восстановленных форм, при охлаждении в сторону окисленных форм.

В печени при перегревании баланс в глутатионовой редок-системе смещается в сторону окисленных форм, при охлаждении в сторону восстановленных форм.

В головном мозге при перегревании, и в большей степени при охлаждении организма баланс в глутатионовой редок-системе смещается в сторону восстановленных форм.

Таким образом, анализ полученных результатов подтверждает представление о том, что стрессорная реакция организма сопровождается изменениями функционального состояния компонентов белков теплового шока и связанных с их функцией глутатиновой редокс-системы, необходимой не только для антиоксидантной защиты, но и для фолдинга белковых молекул.


Библиографическая ссылка

Тапбергенов С.О., Бекбосынова Р.Б., Советов Б.С., Болысбекова С.М. ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ КОМПОНЕНТОВ БЕЛКОВ ТЕПЛОВОГО ШОКА ГЛУТАТИОНРЕДУКТАЗЫ И ГЛУТАТИОНОВОЙ РЕДОКС-СИСТЕМЫ ПРИ ПЕРЕГРЕВАНИИ И ОХЛАЖДЕНИИ // Успехи современного естествознания. – 2015. – № 1-5. – С. 781-784;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=34942 (дата обращения: 25.01.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074