Новая теория рака. 2-ая редакция

[albert52]

Вообще, само дыхание – это окислительно‑восстановительная реакция. В процессах гликолиза и цикла Кребса, происходящих соответственно в цитоплазме клетки и матриксе митохондрий, окислителем являются молекулы НАД+: НАД+ + 2H ⇌ HAДH + H+

Молекула НАД+ присоединяет один атом водорода целиком (электрон и протон), а от второго – только электрон. Оставшийся от второго атома протон уходит в окружающий раствор.

В дыхательной цепи, наоборот, НАДН является восстановителем, отдавая протон и электроны водорода. В конце цепи на одну молекулу кислорода (O2) тратится четыре электрона (e–) и четыре протона (H+), давая в результате две молекулы воды (H2O). Электроны приходят по мембранной цепи, их переносящей, а протоны захватываются из водного раствора.

Белки дыхательной цепи энергию потока электронов используют не для синтеза АТФ, а для транспорта протонов. Это типичный активный транспорт: протоны принудительно переносятся из матрикса (где их и так меньше) в межмембранное пространство (где их и так больше - «протонный резервуар»). Причем такие встроенные системы сопряженного транспорта есть подряд в нескольких белках дыхательной цепи, через которые последовательно проходят переносимые электроны. В результате изнутри наружу суммарно выбрасывается 64 протона на каждую исходную молекулу глюкозы. И таким образом, снаружи от внутренней мембраны становится не просто больше, а намного больше протонов, чем внутри.

Согласно законам биоэнергетики, энергию протонного потенциала всегда можно конвертировать в энергию АТФ: ∆μH > АТФ. Именно это и делает встроенная во внутреннюю мембрану митохондрии протонная АТФ‑синтаза. С белками дыхательной цепи она не связана. Она просто пропускает накопившиеся протоны снаружи (где их больше) внутрь (где их меньше), а за счет высвобожденной при этом энергии синтезирует АТФ. Тот самый АТФ, благодаря которому мы живем.

Митохондрии взрослого человека среднего роста и веса перекачивают через свои мембраны около 500 г ионов Н+ в день, образуя протонный потенциал. За это же время Н+-АТФ-синтаза производит около 40 кг АТФ из АДФ и фосфата, а процессы, использующие АТФ, гидролизуют всю эту массу АТФ назад в АДФ и фосфат.

Добавлено через 1 минуту
В клетке образующийся из глюкозы глюкозо-6-фосфат распределяется между гликолизом и пентозофосфатным путем, причем чем интенсивнее клетки размножаются, тем больше удельный вес последнего пути (но в норме не больше 20-30% поступающей в клетку глюкозы). Этот путь состоит из 2-х этапов.

На окислительном этапе образуются пентозофосфаты и НАДФH.
Быстроделящиеся клетки, такие как клетки костного мозга, кожи и слизистой кишечника, используют пентозы для синтеза РНК, ДНК и таких коферментов, как АТР, НАДН, ФАДН2 и кофермент А. В других тканях важным продуктом пентозофосфатного пути являются не пентозы, а донор электронов НАДФН, необходимый для восстановительного биосинтеза и защиты от повреждающего действия радикалов кислорода, например, для восстановление глутатиона. Наибольшую потребность в НАДФН испытывают те ткани, в которых происходит активный синтез жирных кислот (печень, жировая ткань, молочные железы) или холестерина и стероидных гормонов (печень, надпочечники, половые железы).

Неокислительный этап – это совокупность большого количества обратимых реакций, но в конце этапа пентозофосфаты превращаются в глюкозо-6-фосфат, то есть получается цикл, правда с потерей одной молекулы глюкозо-6-фосфата. Он является источником моносахаридов с разным числом углеродных атомов. Это строительный материал для разных синтезов, в том числе для синтезов различных олигосахаридов, которые входят в состав клеточных рецепторов.

Все ферменты, принимающие участие в пентозофосфатном пути, как и при гликолизе, локализованы в цитоплазме.

Опухолевые клетки в нуждаются в интенсификации этого пути потр***ения глюкозы. При этом между ферментами глюколиза и пентозофосфатного пути существуют конкуренция за субстрат и только быстрый гликолиз за счет увеличения количества субстрата (см. ниже)спасает ситуацию. В клетках опухолей часто наблюдается недостаток кислорода (гипоксия), что тормозит пентозофосфатный путь. В результате страдает синтез нуклеотидов и других важных для деления клеток веществ.

[albert52]

Вставка 1.

Длина всей ДНК в клетке человека примерно 1,5 метра, ДНК всех генов в ней занимает всего 3 - 10 % . Некоторые авторы сравнивают гены с островками в безбрежном океане ДНК. Нас интересуют гены инфраструктуры, выделение которых является нетривиальной задачей.
Начать надо с рассмотрения гликолиза. Его ферменты находятся в цитоплазме клеток, но это не значит, что они свободно плавают в ней. Кстати, цитоплазма представляет из себя довольно густой гель, в котором свободно не поплаваешь. По современном представлении ферменты гликолиза образуют своего рода суперкомплекс, правда довольно динамичный, так как полноценная фиксация ферментов может быть только на поверхности или, еще лучше, внутри мембран. Подходящий пример - фиксация ферментов дыхательной цепи внутри мембраны митохондрий.

Для фиксации ферментов гликолиза наиболее подходят элементы цитоскелета. Напоминаю, что в цитроскелете клеток различают актиновые филаменты (микро - филаменты), промежуточные филаменты и микротрубочки. Актиновые филаменты в основном сконцентрированы у внешней мембраны клетки, так как отвечают за форму клетки и способны образовывать выступы на поверхности клетки (псевдоподии и микроворсинки). Также они участвуют в межклеточном взаимодействии (образовании адгезивных контактов), передаче сигналов и, вместе с миозином — в мышечном сокращении. С помощью цитоплазматических миозинов по микрофиламентам может осуществляться везикулярный транспорт. Все это говорит за то, что для фиксации ферментов гликолиза они не очень подходят.

Микротрубочки — крайне динамичные структуры. Они играют ключевую роль во внутриклеточном транспорте (служат «рельсами», по которым перемещаются молекулярные моторы — кинезин и динеин), образуют основу аксонемы ундулиподий и веретено деления при митозе и мейозе. Все это также говорит против них.

Промежуточные филаменты состоят из разного рода субъединиц и являются наименее динамичной частью цитоскелета. В отличие от микрофиламентов и микротрубочек свободные мономеры промежуточных волокон едва ли встречаются в цитоплазме. Их полимеризация ведёт к образованию устойчивых неполярных полимерных молекул.

Промежуточные филаменты достаточно специализированы в зависимости от типа клеток, в которых встречаются. В большинстве животных клеток ПФ образуют «корзинку» вокруг ядра, откуда направлены к периферии клеток. Это самые долгоживущие компоненты цитоскелета, они участвуют в фиксации органелл и наиболее подходят на роль динамичной фиксации ферментов гликолиза. Кстати, ПФ - наиболее древние элементы цитоскелета, с возрастом и при онкогенезе их доля в цитоскелете увеличивается.

Среди клеточных органелл ПФ больше всего вокруг митохондрий. Ферменты гликолиза, оседая на ПФ, образуют функциональные блоки, часть ферментов можно обнаружить даже на наружной мембране митохондрий. В клетках опухолей они смещаются к митохондриям и даже могут полностью лежать на них, что можно рассматривать как компенсаторную реакцию клетки.

Добавлено через 1 минуту
Вставка 2.

Гликолиз важен не только в онкологии, но и при нормальном функционировании клетки. Экспериментально установлено, что аэробный гликолиз наблюдается во многих физиологических процессах, которые связаны с высокой мембранной активностью, такими как пролиферация лимфоцитов и секреция антител, миграция макрофагов, эмбриональный цитокинез, деление и миграция клеток. Во всех этих процессах большая нагрузка приходится на многочисленные мембранные каналы, а также на рецепторные сигнальные комплексы внутри и около поверхностных мембран, например, аденилатциклазная система и ей подобные.

Установлено, что ингибирование или активация насосов на клеточной мембране приводят соответственно к снижению или увеличению гликолиза, в то время как окислительное фосфорилирование остается неизменным. Эти результаты согласуются с новой моделью нормального физиологического клеточного метаболизма, в которой эффективное митохондриальное окислительное фосфорилирование обеспечивает постоянную потребность в энергии, прежде всего для синтеза макромолекул, а гликолиз необходим для обеспечения быстрых потребностей в энергии, прежде всего для поддержки мембранных насосов.

Эта модель метаболизма глюкозы напоминает экономическую модель оптимизации энергосистемы, в которой максимальная эффективность достигается путем деления спроса на электроэнергию на компоненты базовой нагрузки и пиковой нагрузки. Базовая нагрузка - это постоянная потребность в энергии системы. Пиковые нагрузки - это флуктуирующая составляющая спроса на энергию, наложенная на спрос базовой нагрузки. Первое удовлетворяется угольными или атомными электростанциями, которые эффективны, но реагируют медленно, тогда как вторые обычно встречаются с менее эффективными, но быстро реагирующими газовыми турбинами.

Как и в энергосистемах, активность каждого метаболического пути определяется величиной потребности в энергии, которую он удовлетворяет. Митохондриальное дыхание требует около 12-13 секунд для своей реакции и для быстрого реагирования на изменяющуюся внешнюю ситуацию не годится, в отличие от гликолиза, включающегося за миллисекунды. А, например, отсутствие эффективного и быстрого ответа через клеточную мембрану на локальные изменения осмотического баланса может привести к нерегулируемому выпячиванию мембраны или нарушению ее целостности, и потенциально вызывает летальное повреждение клеток.

Повышенный аэробный гликолиз раковых клетках может возникать вначале как ответ на повышенные кол****ия потребности в энергии из-за злокачественных фенотипических свойств, включая пролиферацию, рост, миграцию и инвазию. Затем подключаются повреждение цитоскелета и концентрация вследствие этого митохондрий в околоядерной зоне, что пространственно разделяет гликолиз и окислительное фосфорилирование.

[albert52]

Остановимся теперь подробней на метаболизме раковых клеток.

Среди различных метаболических активностей, которые наблюдались в опухолях или опухолевых клеточных линиях, три с наиболее убедительными доказательствами необходимой роли в росте опухоли - это аэробный гликолиз (эффект Варбурга), синтез жирных кислот / липидов и митохондриальный метаболизм глютамина. Современные данные свидетельствуют о том, что эти три пути взаимодействуют в метаболической платформе, которая поддерживает рост клеток и, в конечном итоге, пролиферацию. Высокая скорость гликолиза, в дополнение к продуцированию АТФ, генерирует глицерин и цитрат, которые используются для синтеза мембранных липидов. Между тем, митохондриальный метаболизм глютамина снабжает цикл TCA (трикарбоновыз кислот) промежуточными продуктами, чтобы заменить те, которые экспортируются для синтеза липидов и других анаболических процессов.

Cледует подчеркнуть три момента, касающихся роли эффекта Варбурга в метаболизме опухолевых клеток.
Во-первых, учитывая, что эффект Варбурга также наблюдается во время быстрой пролиферации клеток, он более точно рассматривается как общая характеристика пролиферации клеток, а не как признак трансформации, и поэтому можно предположить, что он способствует анаболическому метаболизму.
Во-вторых, быстрый метаболизм глюкозы также поставляет промежуточные продукты для биосинтетических путей, которые возникают из гликолиза проксимально к пирувату, включая рибозо-5-фосфат и глицин для биосинтеза нуклеотидов и глицерин для синтеза липидов. Было высказано предположение, что одной из функций эффекта Варбурга является поддержание адекватных размеров этих пулов предшественников для максимального роста клеток.
В- третьих, клетки, участвующие в аэробном гликолизе, не превращают 100% своего пирувата в лактат. Достаточно солидная фракция пирувата метаболизируется в ТСА, обеспечивая энергию и предшественников для путей биосинтеза, которые потр***яют промежуточные продукты цикла ТСА. Следовательно, эффект Варбурга выполняет как биоэнергетическую, так и биосинтетическую роль в пролиферирующих клетках.

Возможно, что эффект Варбурга по форме и сути является следствием дисбаланса между максимальными скоростями гликолиза и окисления пирувата. Проще говоря, гликолиз превосходит максимальную скорость окисления пирувата, поэтому клетки должны вместо этого устранять пируват с использованием высокопоточных механизмов. Окисление пирувата требует импорта в митохондриальный матрикс с последующей активностью высокорегулируемых ферментов, таких как комплекс пируватдегидрогеназы (PDH), на активность которого влияют фосфорилирование, уровни свободного CoA и соотношение NAD + / NADH, которые могут ограничивать его активность относительно гликолитического потока.

Этот поток может превышать V max (максимальную скорость) PDH более чем на порядок во время пролиферации клеток, что подразумевает необходимость в системе с высокой пропускной способностью, чтобы избежать накопления пирувата. В пролиферирующих клетках экспрессия лактатдегидрогеназы A (LDH-A) решает эту проблему, быстро потр***яя пируват, регенерируя NAD + перед лицом неустанного гликолитического потока, в то же время получая продукт (лактат), который может легко секретироваться. Кстати, LDH-A индуцируется онкогенами (c- myc , HER2 / neu и др.).

Еще одно преимущество высокой гликолитической скорости состоит в том, что она позволяет клеткам тонко настраивать контроль биосинтетических путей, которые используют промежуточные продукты, полученные из метаболизма глюкозы. Когда метаболический путь с высоким потоком разветвляется на пути с более низким потоком, способность поддерживать активность последних максимальна, когда поток через первый поток также максимален. В пролиферирующих клетках это было предложено как способ разрешить очевидный парадокс между потребностью в углероде, производном от глюкозы, для макромолекулярного синтеза и высокой скоростью образования лактата. Пути с низким потоком в этой модели включают те, которые используют гликолитические промежуточные соединения в качестве предшественников биосинтеза. Очень высокая скорость гликолиза позволяет клеткам поддерживать биосинтетические потоки во время быстрой пролиферации, но также приводит к высокой скорости продуцирования лактата.

Для синтеза липидов, белков и нуклеиновых кислот клетки используют предшественники, полученные из интермедиатов цикла TCA. Следовательно, ключевая роль цикла TCA в пролиферирующих клетках заключается в том, чтобы выступать в роли центра для биосинтеза. Это является важным отличием от метаболизма непролиферирующих, окислительных тканей, таких как сердце, где традиционное представление о цикле TCA состоит в том, что он служит для получения максимальной продукции АТФ из окисляемых субстратов, генерируя две молекулы CO2 за ход, и является также поствщиком субсиратов для дыхательной цепи. Однако во время пролиферации клеток большая часть углерода, который входит в цикл TCA, используется в биосинтетических путях, которые потр***яют, а не производят АТФ. Это приводит к непрерывному оттоку промежуточных продуктов (катаплероз).
Так, митохондриальный цитрат перемещается в цитозоль для превращения в липогенный ацетил-КоА. Вообще, цитозольный ацетил-КоА является центральным биосинтетическим предшественником для синтеза жирных кислот и холестерина. Другие промежуточные продукты цикла ТСА также используются для биосинтеза различных макромолекул. OAA и α-кетоглутарат (α-KG) питают внутриклеточные пулы заменимых аминокислот, которые используются для синтеза белков и нуклеотидов.

Чтобы поддерживать функцию цикла TCA перед лицом катаплероза, клетки должны иметь соответствующий приток промежуточных продуктов для пополнения запаса интермедиатов ТСА. Так, при деградации большинства аминокислот образуется пируват, который затем превращается в оксалоацетат (обычно в цикле ТСА через ацетил-СоА в цитрат). Такой процесс называется анаплерозом. Эта реакция поддерживает необходимую высокую концентрацию окса*лоацетата в митохондриях и обеспечивает субстратом первую цитратсинтазную реакцию цикла. Нарушение образования оксалоацетата (при голодании, диабете) ведет к взаимной конденсации молекул ацетил-КоА друг с другом и вызывает об*разование кетоновых тел, главным образом - ацетоацетата.

Экспорт цитрата для синтеза жирных кислот демонстрирует эту необходимость: для образования другой молекулы цитрата необходим ОАА, полученный из пирувата гликолиза или аминокислот. Анаплероз является критической характеристикой метаболизма роста, потому что он дает клеткам возможность использовать цикл TCA в качестве источника биосинтетических предшественников. Высокий анаплеротический поток является более специфическим индикатором роста клеток, чем высокий гликолитический поток, потому что последний может быть вызван гипоксией и другими стрессами независимо от макромолекулярного синтеза.

[albert52]

Продолжим.

Существует несколько механизмов, которые клетки могут использовать для анаплеротической активности. Самый простой использует пируваткарбоксилазу (ПК), которая генерирует ОАА непосредственно из пирувата. При этом митогены усиливают активность ПК. Альтернативным источником анаплероза является метаболизм аминокислот, в частности глютамина, самой распространенной аминокислоты у млекопитающих. Этот путь («глутаминолиз») еще увеличивает клеточную продукцию NADPH и лактата, при этом глутаминолиз использует несколько этапов цикла TCA. В дополнение к своей роли в качестве источника углерода, глютамин также жертвует азотом на синтез нуклеотидов и аминокислот.
Данные из различных типов клеток подтверждают этот вывод. Стимуляция эстрогенами вызывает глутаминолиз в клетках рака молочной железы, в то время как стимуляция митогеном вызывает анаплероз в лимфоцитах.

Чтобы генерировать рибозо-5-фосфат (R5P) для биосинтеза нуклеотидов, клетки отводят углерод от гликолиза в окислительное или неокислительное звено пентозофосфатного пути. Онкогены и опухолевые супрессоры влияют на оба пути. Так, мишень р53 белок TIGAR тормозит гликолиз, увеличивая доставку субстрата к окислительному звену. Предполагается, что экспрессия TIGAR во время генотоксического стресса увеличивает производство NADPH и R5P для восстановления повреждений ДНК. Опухолевые клетки без р53 теряют эти эффекты на пентозофосфатный путь, вызывая относительное увеличение гликолитического потока.

Для одноклеточных организмов, таких как микробы, существует эволюционное давление, чтобы размножаться как можно быстрее, когда есть питательные вещества. Их системы метаболического контроля эволюционировали, чтобы ощущать достаточный запас питательных веществ и направлять необходимый углерод, азот и свободную энергию в генерацию строительных блоков, необходимых для производства новой клетки. Когда питательных веществ мало, клетки прекращают производство биомассы и адаптируют обмен веществ для извлечения максимальной свободной энергии из имеющихся ресурсов, чтобы пережить период голодания.

В многоклеточных организмах большинство клеток подвергаются постоянному поступлению питательных веществ. Выживание организма требует систем контроля, которые предотвращают аберрантную пролиферацию отдельных клеток, когда доступность питательных веществ превышает уровни, необходимые для поддержки деления клеток. Неконтролируемая пролиферация предотвращается, потому что клетки млекопитающих обычно не поглощают питательные вещества из окружающей среды, если их не стимулируют факторы роста. Раковые клетки преодолевают эту зависимость от факторов роста, приобретая генетические мутации, которые функционально изменяют сигнальные пути, инициируемые рецептором. Это может приводить к поглощению питательных веществ, особенно глюкозы, которые удовлетворяют или превышают биоэнергетические потребности роста и пролиферации клеток.

Нормальные пролиферирующие клетки могут подвергаться аресту клеточного цикла и реактивировать катаболический метаболизм, когда их способность продуцировать АТФ из глюкозы нарушается. Клетки с дефицитом АТФ также часто подвергаются апоптозу. Для опухолевых клеток вдали от кровеносных сосудов эти феномены также наблюдаются (см. выше).

[albert52]

Поток метаболитов через метаболические сети лучше всего характеризует отношения между клеточной биологией и биохимией. В то время как основные метаболические потоки в клетках остаются одинаковыми, метаболические потребности каждого типа клеток определяются их тканевой функцией и окружающей средой. Например, иммунные клетки остаются спокойными в течение длительных периодов, но затем быстро размножаются при стимуляции. Для этого клетки переходят из состояния низкого потр***ения питательных веществ, которое поддерживает базальные функции, в состояние повышенного потр***ения питательных веществ с активацией анаболических путей, которые способствуют быстрому росту и делению.

С другой стороны, дифференцированные сердечные миоциты не размножаются, но имеют высокую потребность в АТФ. В результате эти клетки сильно зависят от окислительного фосфорилирования для эффективного генерирования АТФ. Задачей гепатоцитов является контроль химического состава крови, и поэтому им необходима гибкость для выполнения энергоемких процессов, таких как синтез глюкозы, аминокислот и макромолекул, а также рециркуляция побочных продуктов метаболизма из других тканей в полезные метаболиты и выделение ненужного или токсичного материала в виде отходов. Каждая из этих физиологий тканей требует различных соотношений метаболитов и использует уникальные регуляторные схемы.

Организмы и клетки развили системы, чтобы модулировать метаболический поток в коротких и длинных временных масштабах. Гормоны и другие внеклеточные факторы передают сигналы между тканями для регуляции метаболической функции. На клеточном уровне гены, кодирующие изоформы ферментов и регуляторные факторы, позволяют тканеспецифические и контекстно-специфические реакции.
Так, пируваткиназа (ПК) представляет собой гликолитический фермент, который катализирует реакцию, генерирующую пируват и АТФ из фосфоенолпирувата (PEP) и AДФ. Четыре изоформы PK (L, R, M1 и M2) присутствуют у млекопитающих. Изотипы L и R кодируются геном PKLR . Экспрессия изотопов L и R является тканеспецифичной и регулируется различными промоторами. Изотип L экспрессируется в печени, почках и кишечнике, а изотип R экспрессируется в эритроцитах.
PKM1 и PKM2 кодируются геном PKM: M1 экспрессируется в большинстве взрослых дифференцированных тканей, таких как мозг и мышцы, тогда как M2 экспрессируется в эмбриональных клетках, взрослых стволовых клетках и раковых клетках.

Другим важным средством регуляции функции ферментов являются посттрансляционные модификации (PTM), которые обеспечивают механизм обратной связи для метаболитов, которые действуют как субстраты для реакций PTM. Наконец, малые молекулы могут влиять на метаболический поток за счет аллостерического воздействия на ферменты. Целью этих процессов является прохождение метаболитов через пути в пропорциях, необходимых для соответствия требованиям отдельных клеток.

АТФ, например, быстро метаболизируется, и в сердце пул АТФ может обновляться более 6 раз в минуту; при таких скоростях, если потр***ение остается постоянным, снижение производства АТФ на 10% приведет к снижению уровня АТФ в два раза менее чем за одну минуту. При этом образуется АДФ, который в свою очередь при необходимости с помощью фермента аденилатциклазы превращается в АТФ и АМФ. Это способствует высокому соотношению АТФ / АМФ и отражает заряд энергии клетки. AMP затем аллостерически регулирует ключевые метаболические ферменты, которые контролируют поток в гликолизе и окислительном фосфорилировании для увеличения продукции АТФ.

[Eva-2901]

Сообщение от albert52

Продолжим.

Добрый день!Всегда радуюсь, когда доктора в силе вылечить больных и вдвойне рада за тех, кого вылечили. У моей знакомой тоже вывили онкологию, это был мягко говоря шок, удар для всей ее семьи и друзей.Все хотели помочь ей и не знали как.Кто-то искал клинику, кто- то докторов, кто чем мог.Докторов было много, но браться никто не хотел, после первого же посещения.Кто-то после нескольких процедур (доктора) опускал руки. Через знакомых, семь рукопожатий, порекомендовали доктора, как оказался- отличный врач.
Да, и стоит он не дешево, но на жизнь жалеть не стоит!У него все курсы проходила, и проходит еще, состояние значительно улучшилось, аппетит появился, сон улучшился и даже цвет лица поменялся на здоровый!Кто-то сейчас читает и смеется, но тут ничего смешного нет, кто не сталкивался с этим не поймет, Даже врагу такого не пожелаешь.
Доктор говорит, что идет на поправку, естественно не все сразу, но у знакомой ее Лена зовут, есть все шансы.Пока Лена находилась под присмотром у доктора все ее друзья, знакомые и семья подружились мед персоналом и лечащим врачом. Ничего не подумайте,это не реклама и не спам, просто хочу всем помочь, кто оказался в такой ситуации.Обратитесь к хорошему доктору, который сможет вам помочь.
Глебовский Роман Владимирович -доктор в большой буквы, я с Леной не лучшие подруги, но в трудный момент все стараются чем- то помочь, вот и рекомендую доктора.Номер телефона тоже могу оставить 8-926-529-80-57, кому реально нужна помощь в данной сфере обращайтесь.Если кому-то он поможет я еще больше буду рада, так как +1 человек(или несколько) кому я помогла, как говорят у меня на работе +(плюсик) тебе в карму.Не опускайте руки, просите помощи, обращайтесь кому и куда только возможно.Всем счастья, здоровья и удачи!

[albert52]

Продоложим.

Полностью злокачественные клетки, которые характеризуются своей автономией, очень отличаются от диспластических (но еще не полностью неопластических) клеток в предраковых опухолях. Предраковые клетки находятся под гораздо большим контролем воспалительных клеток и других стромальных клеток в их микроокружении, и, кроме того, они еще не достигли уровня повреждения ДНК, который делает их автономными. Следовательно, усиление активности NRF2, которое уменьшит как воспалительный, так и дополнительный окислительный или мутагенный стресс, оказывается полезным во время предраковых состояний и, следовательно, для подавления канцерогенеза.

Таким образом, биологический контекст времени важен: активность NRF2 желательна (для организма-хозяина) на ранних стадиях онкогенеза, когда хозяин стремится контролировать предраковый канцерогенез, но нежелательна на более поздних стадиях онкогенеза. Канцерогенез является континуумом, и может быть много разных предраковых генотипов и фенотипов в каждом восприимчивом органе.

Аналогичная ситуация существует с трансформирующим фактором роста-β (TGFβ), который может подавлять ранние стадии канцерогенеза, но усиливать рост опухоли и метастазирование на более поздних стадиях или участвовать в разное время в инициировании или прекращении воспалительного процесса.

Фумарат образует аддукты с KEAP1 и, таким образом, является активатором NRF2. В цикле Кребса внутриклеточный фумарат быстро метаболизируется в малат с помощью фермента фумаратгидратазы (FH). Гомозиготные мутации FH являются известной причиной папиллярной карциномы почек у людей. Потеря активности фермента FH вызывает накопление высоких уровней фумарата в почке, который затем образует аддукты с KEAP1 путем тиоалкилирования. Это приводит к увеличению активности NRF2, которая предположительно является причиной рака почки. «Доза делает яд», аксиома, приписываемая Парацельсу, подходит для этого активатора NRF2.

Вообще, классическая -α, β-ненасыщенная кетоновая (еноновая) структура молекулы фумарата является парадигматической для многих лекарств, которые активируют NRF2.

Nrf2 перенаправляет глюкозу и глютамин в анаболические пути, особенно при устойчивой активации передачи сигналов PI3K-Akt. Недавно было показано, что GSK-3 (гликогенсинтазакиназа 3) способствует Keap1-независимой деградации Nrf2. Так как Akt фосфорилирует GSK-3 и тормозит его активность, активная передача сигналов PI3K-Akt должна стабилизировать Nrf2 посредством подавления GSK-3.
Nrf2 в свою очередь активирует Akt, а активный путь PI3K-Akt увеличивает ядерное накопление Nrf2 и позволяет Nrf2 стимулировать метаболические активности, которые поддерживают пролиферацию клеток в дополнение к усилению цитопротекции, например, способствовать синтезу пуриновых нуклеотидов и метаболизму глютамина.

Генетическая инактивация PTEN, приводящая к конститутивной активации передачи сигналов PI3K-Akt, была обнаружена во многих раковых опухолях человека. Многие онкогенные сигналы также активируют сигнальный путь PI3K-Akt. Это демонстрирует петлю положительной обратной связи между путями Pten-PI3K-Akt и Keap1-Nrf2, которая, по-видимому, является одним из наиболее существенных механизмов, способствующих злокачественной эволюции рака. Медикаментозная отмена обратной связи будет эффективной стратегией противораковой терапии.

Было показано, что несколько микроРНК (miRNAs) участвуют в регуляции NRF2 , включая miR-144, miR-28 и miR-200a. miRNAs - это короткие одноцепочечные некодирующие РНК, которые регулируют экспрессию генов путем специфического связывания последовательности с мРНК, либо ингибируя трансляцию, либо вызывая деградацию мРНК. Так, miR-144 была первой микроРНК, которая была полностью охарактеризована как негативный регулятор экспрессии Nrf2. miR-200a в свою очередь отрицательно регулирует стабильность мРНК KEAP1 и уровень белка Keap1, что свидетельствует о том, что miR-200a косвенно усиливает Nrf2.

Белок p62/SQSTM1 - это каркасный белок, который может связываться с различными убиквитин-мечеными мишенями и направлять их на пути протеасомной или лизосомальной деградации в зависимости от их посттрансляционных модификаций. Он напрямую взаимодействует с доменом Kelch Keap1 через его мотив STGE, нарушая тем самым фиксацию комплекса Keap1-Nrf2. Такое аберрантное накопление Nrf2 путем дерегуляции его аутофагии является p62-зависимым и Keap1-Cys - независимым, то есть неканоническим механизмом активации Nrf2. При этом возникает петля положительной обратной связи, обусловленная Nrf2-опосредованной активацией экспрессии гена p62. Кстати, после неканонической p62-опосредованной активации Nrf2 NQO1, транскрипционная мишень Nrf2, стабилизирует опухолевый супрессор p53.

Отметим еще, что p62/SQSTM1 входит в состав ДНК-вакцин, проходящих сейчас клиническую апробацию.

[albert52]

Остановимся поподробней на окислительно-восстановительных процессах, играющих важнейшую роль как в нормальном функционировании клетки, так и в процессах канцерогенеза.

Недостаточное митохондриальное дыхание (потр***ение О2), ответственное за гипероксию в предопухолевых и неопластических клетках, должно приводить к повышению в этих клетках содержания различных АФК, так как увеличение концентрации О2 стимулирует внутриклеточную продукцию его активных форм митохондриями, микросомами, пероксисомами, ферментами цитозоля, а также в ходе неферментативных процессов окисления, прежде всего липидов. Супероксид (О2–) создается на обеих сторонах внутренней мембраны митохондрий, таким образом возникая в матриксе и межмембранном пространстве (ММП). Супероксид может быть преобразован в пероксид водорода (Н2О2) при помощи ферментов супероксид дисмутазы (SOD1 для ММП, SOD2 для матрикса). Получившийся пероксид водорода может пересекать мембраны и проникать в цитоплазму, выполняя сигнальную функцию для окислительно-восстановительных процессов. Супероксид сам по себе не может попасть в цитоплазму, но может попасть в нее через специальные мембранные каналы. Реактивные виды кислорода кроме сигнальной функции могут окислять и модифицировать другие молекулы в митохондрии, которые затем попадут в цитоплазму. Реактивные виды кислорода приводят к ответным реакциям и изменениям в ядре клетки.

Супероксид может прореагировать с оксидом азота (NO) с образованием пероксинитрита (ONOO–). Это предотвратит создание пероксида водорода (H2O2) и может ограничить доступность NO в клетке. Пероксид водорода уничтожается ферментом глутатион пероксидаза (Gpx) в матриксе и пероксиредоксинами (Prdx) в матриксе и других частях клетками. Пероксиредоксины способствуют формированию дисульфидных связей в белках. В присутствии переходных металлов, пероксид водорода может сформировать повреждающие гидроксильные радикалы.

Активные формы кислорода, таким образом, очень нужны, но в «разумных» количествах. Тонкое место – супероксид дисмутаза. В небольших количествах реактивные виды кислорода будут запускать восстановительные процессы в клетке, в больших количествах – SOD-ферменты не справятся и нашим клеткам (в первую очередь митохондриям) придется «держать удар».

Далее.

В организме основным источником АФК являются ферментативные реакции, но в ряде случаев свободные радикалы образуются случайно, как продукт "утечки" отдельных электронов.

1. Основным источником случайных АФК является дыхательная цепь митохондрий. Все ее комплексы (особенно коэнзим Q) способны "терять" электроны, которые используются для образования АФК. Дополнительными индукторами образования являются гипоксия, различные ингибиторы дыхательных ферментов или АТФ-синтазы, все, что замедляет скорость движения электронов и передачу их на кислород на 4-м комплексе дыхательной цепи. Это приводит к «сбрасыванию» электронов на кислород на более ранних этапах, т.к. у других дыхательных ферментов имеется большее сродство к кислороду, которое в норме проявляется слабо.

Важно отметить, что в норме генерация АФК в митохондриях является хорошо регулируемым процессом. Так, семейство митохондриальных белков-разобщителей (UCP) играет важную роль в снижении уровня АФК в клетке через «принудительное» движение электронов вдоль дыхательной цепи. В результате такого контроля поток электронов в цепи не замедляется, т.к. он необходим для восполнения электро-химического градиента.

Некоторое количество АФК синтезируется с участием цитохромов Р450 и b5 в микросомальном окислении. Это окисление происходит в мембранах эндоплазматического ретикулума всех тканей, кроме мышечной, и используется при синтезе и метаболизме ряда веществ (желчных кислот, эйкозаноидов, холестерола, стероидных гормонов и т.п.), или для окисления веществ при их обезвреживании. В одной из реакций происходит спонтанная передача электрона на присоединившийся кислород и образуется супероксид анион-радикал.

Также при спонтанной дисмутации двух супероксид анион-радикалов возможно образование синглетного кислорода и пероксида водорода.

Некоторые ферменты при осуществлении своей реакции производят активные формы кислорода. При этом свободные радикалы могут быть как целевыми продуктами, например, для НАДФ-оксидазы, миелопероксидазы, NO-синтазы, так и появляться как обязательный, но все-таки побочный продукт реакции (моноаминоксидаза, лизилоксидаза, ксантиноксидаза, циклоксигеназы, липоксигеназы, оксидазы D- и L-аминокислот).

NO-синтаза – группа НАДФН-зависимых изоферментов, катализирующих сложную многоходовую реакцию окисления аргинина с образованием оксида азота (NO). Выделяют нейрональную, эндотелиальную и индуцируемую (в сердечно-сосудистой и иммунной системах) формы фермента.

Также в клетках осуществляются реакции целенаправленного образования органических форм кислородных радикалов – гидроперекисей жирных кислот посредством липоксигеназ и циклооксигеназ. И хотя гидроперекись способна спонтанно вызывать образование новых свободных радикалов (перекисное окисление липидов), в данном случае целью процесса является биосинтез эйкозаноидов – простагландинов, тромбоксанов и лейкотриенов.

Так, липоксигеназы – железосодержащие ферменты, присоединяющие два атома кислорода к полиненасыщенным жирным кислотам. Продуктом реакции является гидропероксид жирной кислоты, который в дальнейшем используется для синтеза лейкотриенов, важнейших регуляторов активности лейкоцитов. Циклооксигеназы присоединяют к полиненасыщенным жирным кислотам четыре атома кислорода с образованием гидроперекиси – простагландина G (PgG), который далее идет на образование других простагландинов, простациклинов и тромбоксанов.

Ряд реакций метаболизма, предназначенные для образования или уборки каких-либо веществ, сопровождаются образованием активных форм кислорода как побочного продукта реакции.
Многие такие реакции катализируются оксидазами по однотипной схеме: для реакции необходима молекула кислорода О2, один атом кислорода от молекулы О2 включается в структуру субстрата и используется для формирования оксогруппы (C=O), другой атом кислорода связывается с H2O с образованием H2O2.

1. Моноаминооксидаза, ФАД-содержащий фермент, расположенный на внешней мембране митохондрий, окисляет биогенные амины (гистамин, серотонин, дофамин) в альдегиды. На эту реакцию соответствующими клетками расходуется до 2% потр***яемого кислорода.

2. Оксидазы D- и L-аминокислот локализуются в пероксисомах клеток, в первую очередь печени и почек, содержат флавиновые коферменты – ФАД (оксидаза D-аминокислот) и ФМН (оксидаза L-аминокислот). Их реакция заключается в прямом окислительном дезаминировании аминокислот, побочным продуктом является H2O2.

Полиаминоксидазы, ФАД-зависимые ферменты пероксисом печени, катализируют окислительное дезаминирование полиаминов (спермина, спермидина) с одновременным образованием H2O2 и отщеплением аминоальдегидов.

Ксантиндегидрогеназа – фермент, содержащий в своем составе ФАД, молибден и железо. Она принимает участие в конечных реакциях катаболизма пуриновых нуклеотидов АМФ и ГМФ – превращает гипоксантин и ксантин в мочевую кислоту. В аэробных условиях фермент использует в качестве акцептора электронов НАД с образованием НАДН.
Однако в клетке может происходить превращение фермента в О2-зависимую ксантиноксидазу. Превращение может запускаться разными механизмами, включая окисление HS-групп остатков цистеина в ферменте или ограниченный протеолиз. Образуемый ксантиноксидазой H2O2 составляет существенную долю в общей массе активных форм кислорода клетки.

Агрессивность свободных радикалов надо контролировать. По природе и действию выделяют ферментативные и неферментативные антиоксиданты:

Каталаза, гемсодержащий фермент, присутствует в пероксисомах всех клеток человека и обладает чрезвычайно высокой молекулярной активностью. В эритроцитах она находится в цитозоле и защищает гемоглобин от окисления.

Глутатионпероксидаза, как и каталаза, является гемсодержащим ферментом и обезвреживает H2O2. Обладая в 1000 раз большим сродством к пероксиду водорода, чем каталаза, она эффективна даже при низких его концентрациях.
Особенностью глутатионпероксидазы является наличие в активном центре фермента селеноцистеина, т.е. такого цистеина, в котором сера заменена на селен. В качестве восстановителя для H2O2 фермент использует трипептид глутатион, содержащий цистеин с его SH-группой. Окисленный в результате реакции глутатион восстанавливается глутатионредуктазой.

Глутатион-S-трансфераза обеспечивает взаимодействие различных веществ с восстановленным глутатионом. Существуют три вида фермента – митохондриальный, микросомальный и цитозольный (у млекопитающих до 10% всех белков цитоплазмы). Мишенью фермента являются различные ксенобиотики и пероксиды липидов.

При реакции восстановленного глутатиона с перекисью жирной кислоты происходит восстановление окисленной группы жирной кислоты до спирта и воды. В случае реакций обезвреживания ксенобиотиков фермент осуществляет конъюгацию вещества с глутатионом, а не восстановление перекисной группы.

Пероксиредоксины – антиоксидантные ферменты, контролирующие уровень цитокин-индуцированных пероксидов, участвующих в передаче клеточных сигналов. В активном центре фермента находятся SH-группы цистеина, которые окисляются до R-SOH состояния пероксидным субстратом (H2O2 или липидной гидроперекисью)